Kirsi Sainio 2012 Solutyypit Soluorganellit Solujen tukiranka Solukalvo Solunulkoinen matriksi Ensimmäiset solujen kaltaiset rakenteet syntyivät n. 3,5 miljardia vuotta sitten, kun solujen peruskomponentit jäivät yksinkertaisten kalvorakenteiden ympäröimäksi = alkusolu Prokaryoottisolut eli alkeistumalliset (arkkibakteerit ja eubakteerit) yksisoluisia yksinkertaisia, ei erikoistuneita soluorganelleja Kuitenkin aineenvaihdunnaltaan melko monimutkaisia, glykolyysi eli sokerien hajotus pääasiallinen energian lähde Myös erikoistuneita lajeja, sekä alkumaapallon vähähappisiin/hapettomiin että myöhemmin kehittyneeseen hapelliseen elinympäristöön 1
Eukaryoottisolut eli ns. aitotumalliset solut kehittyvät tunnusomaista aitotumallisille soluille on monimutkaisten soluorganellien täyttämä sytoplasma, jota ympäröi solukalvo sekä kasvi- että eläinsolut Kaikissa eukaryoottisoluissa (nisäkkäiden veren punasoluja lukuun ottamatta) on pitkälle erikoistuneita soluorganelleja Organellit muodostuvat kalvorakennelmista (sytomembraanit) Soluorganellien tehtävänä on välittää tai toimia asemina kaikkiin solun aineenvaihduntaan ja solujakautumiseen liittyvissä toimissa Soluorganellit jakavat solun toiminnallisiin yksiköihin Soluorganellien ulkopuolelle jää solulima, sytosoli, jossa on runsaasti proteiineja (n. 20%) 2
TUMA solujen aivot ENDOPLASMINEN KALVOSTO tuotantoliukuhihna GOLGIN LAITTEISTO prosessointi ja jakelu MITOKONDRIOT voimalaitos LYSOSOMIT kaatopaikka PEROKSISOMIT laaduntarkkailu ja jätteidenkäsittely SOLUTUKIRANKA (sytoskeleton) tukija liikuntaelimistö SOLUKALVO alfa ja omega Kaksinkertaisen kalvorakenteen solun muista osista erottama suurin soluorganelli tuma erottaa DNA:n kahdentumiskoneiston sekä RNA:n muokkauskoneiston muusta solusta 3
DNA:n erottaminen solun sytoplasmassa tapahtuvasta proteiinisynteesistä oli edistyksellinen askel: mahdollistaa RNA:n muokkauksen ennen sen siirtymistä proteiinisynteesikoneistoon tätä ei tapahdu bakteereissa Tumakotelo koostuu sisemmästä ja ulommasta tumakalvosta, väliin jää perinukleaaritila tumakalvot ovat kiinni toisissaan tumahuokosten (nuclear pore) kohdalla ulompi kalvo on yhteydessä sytoplasman karkeaan endoplasmakalvostoon ja sillä on pinnallaan ribosomeja sisempään kalvoon kiinnittyy tuman sisällä risteilevä lamiineista koostunut tumalevy lamiinit huolehtivat tumakotelon hajottamisesta ja uudelleen järjestäytymisestä mitoosissa Tumahuokonen koostuu huokoskompleksista, jossa useita, vastikään kuvattuja proteiineja toimii tumakuljetuksessa sekä tumaan että sytoplasmaan suuret proteiinit vaativat reseptorikuljetuksen, oma osoitelappu RNA-liikenne tumasta solulimaan, RNA-proteiini kompleksina, jolloin proteiinissa osoitelappu 4
Tumalima l. nukleoplasma säikeinen, runsaasti valkuaisaineita, mm. aktiinia RNA-synteesin tapahtumapaikka lähetti-rna (messenger-rna, mrna) kuljetetaan sytoplasmaan lukuisia entsyymejä, jotka toimivat transkriptiossa ja geenisäätelyyn osallistuvia transkriptiotekijöitä DNA:n kahdentumisen koneisto DNA:n pakkaus kromatiineihin ja lopulta kromosomeihin Lisäksi tumajyvänen, jossa ribosomaalinen RNA (rrna) syntetisoidaan 5
Yli puolet solun sisäisestä kalvostosta kuuluu ns. endoplasmakalvostoon Muodostaa onteloita eli sisternoja, putkia ja rakkuloita Samassa solussa on sekä ribosomien peittämää karkeapintaista (=rougher) että sileäpintaista endoplasmakalvostoa (=smoother) Karkeapintaista endoplasmakalvostoa paljon valkuaisaineita erittävissä soluissa (kuten haimassa) Sen muodostamat ontelot (sisternat) ovat litteitä Onteloiden pinnalla on ribosomeja, jotka näkyvät jyväsinä transmissioelektronimikroskoopissa Proteiinisynteesi aloittaa sokeriosien liittämisen lipideihin ja valkuaisaineisiin 6
runsaasti rasvoja ja steroideja muodostavissa soluissa (mm.maksa, lisämunuaisen kuorikerroksen solut, keltarauhasen ja kiveksen Leydigin solut) Kalvomateriaalin tuotanto, kolesterolimetabolia Lipidejä tuottavat entsyymit sijaitsevat ser:n soluliman puoleisella sivulla ser:n ontelot ovat putkimaisia ser:stä muodostuu Golgin laitteen kalvosto ja edelleen primäärilysosomit ja eritejyväset ser myös varastoi ja sitoo korkeina pitoisuuksina Ca 2+ -ioneja. Poikkijuovaisessa lihaksessa olevaa ser:ia kutsutaan sarkoplasmakalvostoksi, pystyy nopeasti vapauttamaan Ca 2+ -ioneja tarvittaessa lihassupistusta varten ser:n erityistehtävänä maksassa on myrkyllisten rasvaliukoisten, kalvostoihin rikastuvien aineiden vaarattomaksi tekeminen (=detoksikaatio) 7
Löydettiin vuonna 1897 (julkaisu v. 1898) hopeasuoloilla värjätyistä hermosoluista Sai myöhemmin nimen löytäjänsä mukaan (Camillo Golgi) Sileä kalvostoverkosto, kekomaisesti toistensa päälle kasautuneet sisternat Keossa yleensä 8-10 sisternaa, voi olla vaihteleva määrä, jopa 100 Erityisen kookas erittävissä soluissa Golgin laitteen Cis-sivu (muodostuva sivu) on endoplasmakalvostoon päin, rer:llä valmistetut valkuaisaineet kuljetetaan sinne ser:n kautta Cis-Golgissa vastaanotto- ja lähetyskeskus Esim. endoplasmakalvoston entsyymit erotellaan lysosomeihin, solukalvolle, lähetetään eritejyväsiin tai lähetetään takaisiin endoplasmakalvostolle Tällä alueella muihin soluorganelleihin ja sytoplasmaan kuljetettaviin valkuaisaineisiin liitetään osoitelappuja Trans-sivulla (kypsyvä sivu) kalvot paksuuntuvat (lisätään kolesterolia) Eriterakkulat (vesikkelit), jotka kuljettavat valkuaisaineita eteenpäin, irtoavat transsivulta Trans-sivulla osoitelaput tunnistetaan ja pakataan rakkuloihin kuljetusta varten 8
Proteiinien lopullinen muokkaus: hiilihydraattien (sokeriosat) liittäminen glykoproteiineihin polysakkaridien synteesi ja liittäminen proteiineihin proteiinien laskostaminen niiden lopulliseen tertiääriseen muotoon N-sidoksellisiin oligosakkarideihin liittyvää muokkausta Tämän lisäksi sokeriosiin liittyy myös fosforylaatiota ja sulfataatio (tästä merkittävimpänä proteoglykaanien glykosaminoglykaaniketjujen muokkaus) Puuttuu bakteereilta Mitokondrio Mitokondrio 9
Solujen voimalaitoksia, vastaavat soluhengityksestä ja energiantuotannosta (oksidatiivinen aineenvaihdunta) Mitokondrio muuntaa hapen ja ravinteiden energian ATP:n (adenosiinitrifosfaatti) muotoon Mitokondrioiden toimintahäiriöt yleensä vakavia, aiheuttavat useita kymmeniä erilaisia sairauksia 10
Solun kaatopaikka Sisältää n. 60 hapanta hydrolaasia (esim. hapan fosfataasi) Erotettu kalvolla muusta sytoplasmasta, koska entsyymien aktiivisuus vaatii alhaista ph:ta (ph 5) Lysosomikalvon protonipumppu pitää yllä tätä hapanta ympäristöä Pystyvät hajottamaan rasvoja, hiilihydraatteja ja nukleiinihappoja Lysosomaaliset kertymäsairaudet vakavia häiriöitä, esim AGU (asparatylglykosaminuria) Aspartylglucosaminuria Wolman disease Cystinosis Danon disease Fabry disease Farber disease Fucosidosis Galactosialidosis types I / II Gaucher disease Krabbe disease Pompe disease GM1-Gangliosidosis types I/II/III Tay Sachs disease Scheie syndrome Sanfilippo syndrome A Sanfilippo syndrome B Sanfilippo syndrome C Sanfilippo syndrome D Morquio syndrome Morquio syndrome Maroteaux-Lamy syndrome Sly syndrome Mucopolysaccharidosis type IX Multiple sulfatase deficiency Sandhoff disease GM2-Gangliosidosis a-mannosidosis types I / II ß-Mannosidosis Metachromatic leukodystrophy Sialidosis types I / II I-cell disease; pseudo-hurler polydystrophy Mucolipidosis type IV Hurler syndrome Vogt-Spielmeyer disease Batten disease Batten disease, late infantile Northern Epilepsy Niemann-Pick disease Pycnodysostosis Schindler disease Sialuria, Salla disease 11
Pitkään arveltiin että ovat osa mitokondriota tai bakteerireliktejä, kuten mitokondrio kuroutuvat ser:sta Erityisen paljon erittävissä elimissä, mm. maksassa ja munuaisissa Sisältävät useita peroksideja hajottavia entsyymejä (=nimi) Keskeisiä pitkäketjuisten rasvahappojen ja esim. alkoholin metaboliassa (etanoli asetaldehydiksi) Soluille haitallisten aineenvaihduntatuotteiden hajotus (vetyperoksidi vedeksi) Peroksisomisairauksia tunnetaan, esim. Cerebro-hepatic-renal disease (Zellwegerin syndrooma, ZS) 12
Solun tukiranka on kaikilla aitotumallisilla Ylläpitää solujen muotoa, avustaa erilaisissa kuljetustapahtumissa ja vastaa solun liikkeistä Osa solun viestinvälitysjärjestelmän toimintaa mikrofilamentit mikrotubulukset Välikokoiset filamentit 13
Keskellä solua sijaitsee sentrosomi, ja sen keskellä mikrotubuluksista muodostuvat keskusjyväset eli sentriolit Keskusjyväset kahdentuvat solusyklin S- vaiheen alussa ennen mitoosia Mikrotubuluksilla on tärkeä tehtävä solun kuljetustapahtumissa Mikrotubulukset muodostavat värekarvojen sisälle 2 keskusputkesta ja 9 kehäputkesta koostuvan tukirakenteen Esimerkiksi keuhkoissa värekarvat liikkuvat aaltomaisesti kuljettaen siten esimerkiksi ilman epäpuhtauksia pois Liikkumiseen ne käyttävät ATP:sta saatavaa energiaa Eri kokoisia värekarvoja on löydetty lähes kaikista soluista Värekarvoihin liittyviä sairauksia on löydetty viime vuosina lukuisia 14
Uusi merkittävä tautiryhmä, taustalla usein perinnöllinen geenivirhe Aiheuttaa mm. kehityshäiriöitä ja hedelmättömyyttä Suomalaisessa populaatiossa rikastuneena mm. Meckelin oireyhtymä BRIEF COMMUNICATION Pitävät yllä solujen muotoa Aktiinin välityksellä solut liikkuvat, esim. lihaksien supistus myosiinin ja aktiinin liukuessa toistensa kanssa limittäin Supistus vaatii ATP:stä saatavaa energiaa sekä kalsium-ioneja Nature Genetics 38, 155-157 (2006) Published online: 15 January 2006; doi:10.1038/ng1714 MKS1, encoding a component of the flagellar apparatus basal body proteome, is mutated in Meckel syndrome Mira Kyttälä 1,2, Jonna Tallila 1, Riitta Salonen 3, Outi Kopra 1,4, Nicolai Kohlschmidt 5, Paulina Paavola-Sakki 6, Leena Peltonen 1, 2, 7 & Marjo Kestilä 1 15
Mikrofilamentit mikrovillukset ja stereosiliat ovat epiteelisolujen ulokkeita, jotka sisältävät järjestäytyneitä aktiinimikrofilamenttikimppuja Fagosytoosi ja reseptorivälitteinen endosytoosi Mikrovillukset ovat sormimaisia pullistumia epiteelisolun pinnassa Kalmoduliini, myosiini ja aktiini = mikrovillukset ovat supistumiskykyisiä 16
rakenteellinen tehtävä auttavat soluja kestämään mekaanisen kuormituksen aikaansaamia voimia Kuitenkin tiedetään, että solut voivat hyvin elää ilman minkäänlaisia välikokoisia filamentteja Elektronimikroskoopissa ne näkyvät suorina säikeinä (10 nm paksuus) Nimensä ne ovat saaneet läpimitastaan, jonka puolesta ne sijoittuvat mikrotubulusten (25 nm) ja mikrofilamenttien (5 nm) väliin Solukalvon kemiallinen koostumus proteiinit 55-60% lipidit 35-40% hiilihydraatit 5% 1. rajaa solun ulkoreunat ja toimii solun mekaanisena tukena 2. ylläpitää solunsisäisiä olosuhteita sellaisina, että elämälle välttämättömät solun biokemialliset reaktiot voivat tapahtua (solunsisäinen homeostasia) 17
3. osallistuu kuljetus- ja suodatustehtäviin: solukalvon on pystyttävä valikoimaan solun sisään otettavat ja solun sisältä poistettavat molekyylit 4. osallisena reseptorifunktioissa - se välittää erityisten reseptorien avulla viestimolekyylien sanoman solulimaan ja sitä kautta tumaan 5. kehon immuunijärjestelmä tunnistaa solukalvon pintamolekyylejä ja kertoo muun muassa, onko tunnistettava molekyyli kehon oma vai vieras 6. polaroituneissa soluissa apikaalinen solukalvon osa on erilainen kuin basolateraalinen 7. solujen väliset liitokset muodostuvat solukalvon välityksellä 8. solukalvo on tärkeä solujen väliselle vuorovaikutuksella ja yhteistoiminnalle (esim. kudoksien muodostaminen ja elinten välinen yhteistoiminta) Eräiden ionigradienttien erot solun ulko- ja sisäpuolella Ion Extracellular Intracellular Difference Na + 140 mm 10 mm 14x K + 4 mm 140 mm 35x Ca ++ 2.5 mm 0.1 microm 25,000x Cl - 100 mm 4 mm 25x Grandienttien ylläpitäjänä solukalvon pumput, esim. Na-K-pumppu 18
EXTRA CELLULAR MATRIX Säikeinen perusmatriksi,esim.kollageenisäikeet, runsaasti myös erilaisia komplekseja muodostavia proteiineja Solujen lisäksi kudosten perusrakennusaine Merkittävä tehtävä solujen välisessä viestinnässä, solujen liikkeissä, solujen homeostasian ylläpidossa 19