4. Kalvorakkuloiden liike eli mihin proteiinit joutuvat ribosomilta
irrottuaan?
Johdantona otsikossa lupaamani aiheeseen luomme pienen pikakatsauksen
solun keskeisimpiin kalvostoihin. Ota kirjasta esille jokin solun rakennetta
esittävä kaavakuva ja tsekkaile asioita samalla siitä.
4.1. Endoplasmaattinen retikulum (= ER) eli solulimakalvosto
Soluelimistä suurin on kolmiulotteinen kalvorakenne nimeltä solulimakalvosto
(=ER). ER:n ontelot ovat tilavuudeltaan n. 10 % koko solun tilavuudesta.
Paikoitellen ER on kauttaaltaan ribosomien peittämää. Tällaista kalvoston
osaa kutsutaan karkeaksi solulimakalvostoksi (englanniksi rough
endoplasmic reticulum rER).
Karkeaa solulimakalvostoa on paljon soluissa, jotka syystä tai toisesta
erittävät proteiineja ulkopuolelleen. Esimerkiksi hormoneja tuottavat
umpirauhassolut, ruuansulatusentsyymejä tuottavat avorauhassolut tai
allergiareaktioissa histamiineja tuottavat syöttösolut ovat tällaisia.
Eritettävien proteiinien lisäksi rER valmistaa solukelmulle tarkoitettuja
kanava-, pumppu- ja reseptoriproteiineja. Solujen välisessä viestinnässä
tärkeät hormonireseptorit tuotetaan alun perin rER:ssä. Esimerkiksi
hermosoluissa impulssien etenemisestä vastaavat kanava- ja
pumppuproteiinit sekä välittäjäainereseptorit ovat rER:stä peräisin. rER:ssä
syntyvät myös puolustusjärjestelmämme toiminnassa keskeiset T-solu- ja B-
solureseptorit (eli vasta-aineet) sekä makrofagien MHC-reseptorit. Kasvien
juurisolut ottavat maaperästä ravinteita juurisolujen pinnalla olevien kanava-
ja pumppuproteiinien avulla. Ne ovat juurisolun rER:stä peräisin.
Osa ER:stä on aina ribosomitonta ja siksi olemukseltaan sileätä (englanniksi
smooth endomlasmic reticulum sER, ”Otetaanpa lasilliset sherryä!”). Tämä on
runsasta rasva-aineiden tuotantoon erikoistuneissa soluissa.
Karkea solulimakalvosto koostuu pääasiassa patjamaisista kalvopusseista,
kun taas sileä ER muodostuu lähes yksinomaan verkkomaisesta
kalvoputkitiheiköstä.
4.2. Golgin laite
Golgin laite muistuttaa rakenteeltaan ER:ää, mutta on siistimmän näköinen.
Siinä on päällekkäin keottuna muutamia, joskus kymmeniä, litteitä
kalvopusseja. Karkean solulimakalvoston ja Golgin laitteen välillä on lukuisia
pieniä kalvorakkuloita matkalla rER:stä Golgin laitteeseen. Golgin laite
nimittäin jatkaa kalvoproteiinien ja solusta ulos eritettävien proteiinien
jalostusta. Mitä enemmän solu valmistaa tällaisia proteiineja, sitä enemmän
rakkuloita on ja sitä suurempi on Golgin laite.
Golgin laite on yleensä asettunut niin, että sen sisimmäinen kalvopussi, ns.
cis-sivu osoittaa rER:ään päin ja ulommainen kalvopussi, ns trans-sivu,
osoittaa solukelmuun päin. Muokattavat proteiinit saapuvat rER:stä cis-
sivulle, siirtyvät sieltä seuraavaan Golgin laitteen kalvopussiin, jälleen
kalvorakkuloissa. Kalvopussi kalvopussilta proteiinit kulkevat Golgin laitteen
cis-sivulta sen trans-sivulle poistuen lopulta pienissä kalvopusseissa
useimmiten solukelmua kohti (katso esim. kuvat 15 ja 19) .
4.3. Proteiinien työmatkaliikenne
Solun toiminnan sujumiseksi on välttämätöntä, että proteiinit päätyvät oikeaan
työpaikkaansa solun sisällä tai sen ulkopuolella. Tämä voi sijaita kaukanakin
siitä ribosomista, joka proteiinin valmistaa. Onkin tärkeätä, että valmistuva
proteiini itsessään sisältää tiedon siitä, mihin solun osaan se on tarkoitettu.
Tämä tieto sisältyy proteiinin aminohappojärjestykseen ja on siis keskeinen
osa geeni-informaatiota.
Sitä proteiinin eli aminohappoketjun osaa, joka toimii kohdistusmerkkinä,
kutsutaan signaalisekvenssiksi (kuva 14). Jos tällaista signaalisekvenssiä ei
ole, valmistuva proteiini jää solulimaan.
Mitokondrioihin tarkoitetut proteiinit sisältävät mitokondrion
kohdistussignaalin. Mitokondrion ulkokalvossa oleva reseptori tunnistaa sen
ja siten avustaa proteiinit mitokondrion sisälle oikeaan paikkaan. Sama
periaate koskee tumaan tarkoitettujen proteiinien kohtaloita.
Solun kalvoille, tai solun ulkopuolelle tarkoitettujen proteiinien
signaalisekvenssi toimii yhteistyössä solulimassa vapaana olevan
reseptorimolekyylin kanssa. Tämä reseptori on nimeltään signaalisekvenssin
tunnistuskappale (= SRP, ”Suomen Runainen Pisti”, Signalsequence
Recognition Particle”). Solulimakalvoston (=ER) pinnalla on vielä toinen,
avustava reseptoriproteiini (SRP-reseptori) , joka tunnistaa
signaalisekvenssin ja SRP:n muodostaman kokonaisuuden. SRP ja
signaalisekvenssi ribosomeineen ankkuroituu vasta tämän avustavan
reseptorin avulla ER:än pintaan. Ribosomin kohdalle avautuu kanava, jonka
kautta proteiini alkaa työntyä ER:n onteloon.
1
2
3
SRP
Signaali-sekvenssi
4
5
Kuva 14. Solulimakalvoston sisään tarkoitettujen proteiinien syntytapa. Solun kalvoille tai solusta ulos eritettäviksi tarkoitettujen proteiinien alkupäässä (=aminopäässä) on aminohappojärjestys nimeltä signaalisekvenssi. Solulimassa vapaina olevat signaalisekvenssin tunnistuspartikkelit (1) kiinnittyvät signaalisekvenssiin (2). Solulimakalvoston pinnalla on reseptoreita, joihin SRP:t kiinnittyvät (3). Kiinnittymisen tapahduttua aminohappoketju alkaa työntyä kalvoston onteloon (4). Tämän jälkeen signaalisekvenssi irtoaa (5) ja ribosomi kiinnittyy omiin reseptoreihinsa solulimakalvoston pinnalla (6). Ribosomireseptoreita ei ole merkitty kuvaan. Karkea solulimakalvosto näyttää karkealta siihen kiinnittyneiden ribosomien vuoksi.
Karkea solulimakalvosto
6
mRNA
Ribosomi
SRP-reseptori
Ei siis ole kiinteästi ER:ään kiinnittyneitä ribosomeja vaan, jos ribosomi
tuottaa signaalisekvenssillä varustettua proteiinia, se kiinnittyy ER:ään. Näin
vältetään sellainen ikävä mahdollisuus, että matkalle haluava proteiini
valmistuisi vapaalla ribosomilla ja jäisi iäkseen solulimaan toimettomaksi.
Proteiini ei siis itse osaa hakeutua omaan työpaikkaansa.
Jos proteiinissa on jossakin kohden hydrofobisia (=vettä pelkääviä)
aminohappojaksoja, se kiinnittyy näiltä kohdin ER:n kalvoon ja pysyy
kalvoproteiinina loppuun saakka. Jos hydrofobisia sekvenssejä ei ole, koko
proteiini työntyy ER:n onteloon.
Tässä tiivistelmä kalvoproteiineihin liittyvistä käsitteistä:
1. transmembraaninen kalvoproteiini = kalvon läpi ulottuva
2. perifeerinen kalvoproteiini = kalvon jommallekummalle
puolelle kiinnittynyt
3. integraalinen kalvoproteiini = tiukasti kalvossa kiinni oleva
proteiini (yleensä nämä ovat transmembraanisia, mutta voivat olla myös
perifeerisiä)
ER:n sisälläkin proteiinit tarvitsevat ohjausta löytääkseen oikeaan
kohteeseen. ER toimittaa proteiineja solukelmulle, eritettäviksi solun
ulkopuolelle tai lysosomeihin (= hajottavia entsyymejä sisältäviä
kalvorakkuloita). Useimmat näistä proteiineista ohjataan rER:n jälkeen
jatkojalostettaviksi Golgin laitteeseen.
Lysosomeiksi kutsutaan kalvorakkuloita, joissa on entsyymeitä, jotka
hajottavat solun omia kuluneita rakenteita tai ravintohiukkasia. Hajotettaviksi
eivät kuitenkaan päädy solulimassa vapaina olevat hiukkaset, vaan
hajoaminen alkaa vasta, kun lysosomirakkulat sulautuvat hajotettavia aineita
sisältäviin kalvorakkuloihin. Syntyvää kokonaisuutta kutsutaan
sekundaarilysosomiksi. Solun omat hajotettaviksi tarkoitetut rakenteet
pakkaa kalvopusseihin rER. Sen sijaan ravintohiukkaset pakataan
solukelmusta silmikoitaviin kalvopusseihin.
ER:n ontelossa on proteiineja, jotka tunnistavat lysosomeihin tarkoitetut
entsyymit ja tämän merkiksi kiinnittävät niihin hiilihydraattilisukkeita. ER:stä
irtautuvat kalvopussit sulautuvat Golgin laitteen ensimmäiseen kalvopatjaan
(=cis-puoleen). Hiilihydraattimerkkien avulla Golgin laite ymmärtää (päättely
tapahtuu tietenkin reseptoriproteiinien avulla), että proteiinit on tarkoitettu
nimenomaan lysosomeihin. Nämä kalvorakkulat poikkeavat muista
kalvorakkuloista siinä, että ne jäävät solun sisälle.
4.4. Kalvorakkulat liikkeessä
Edellä tulikin jo esille, että lukuisat proteiinit toimivat solukelmulla, toiset
mitokondrioissa ja viherhiukkasissa, jotkut lysosomien sisällä, monet proteiinit
”oksennetaan” solun ulkopuolelle, mistä ne esim. verenkierron mukana
kulkevat kaukaisiin kohteisiin, vaikkapa reseptoriinsa (joka sekin on proteiini)
jonkin toisentyyppisen solun pinnalle.
Proteiinirakenteiden muokkauksen viimeistelee Golgin laite. Se myös
huolehtii proteiinien lopullisesta sijoittelusta pakkaamalla ne matkakohteen
määräävillä osoitelapuilla varustettuihin kalvorakkuloihin. Osoitelappuina
toimivat tehtävään erikoistuneet ”avain-lukko-proteiinit”, jotka sijaitsevat
kalvorakkuloiden pinnalla.
Kaikki kalvorakkulat eivät kuitenkaan ole peräisin ER:stä tai Golgin laitteesta,
vaan kalvorakkuloita voidaan myös kierrättää. Esim. hermosolujen
päätejaloista synapsirakoon purkautuvat välittäjäaineet pumpataan hetken
päästä takaisin ja pakataan tässä vaiheessa tyhjiin solukelmusta
valmistettuihin rakkuloihin.
VAMP ja Syntaxin ovat osoitelappuproteiineja (kuvat 15 ja 16)
Kalvorakkuloiden ohjailuun osallistuu proteiinijoukkue, joka koostuu
kalvoproteiineista ja soluliman proteiineista.
Joukkue toimii seuraavasti. Rakkulassa on VAMP-kalvoproteiini (Tetanus- ja
botuliinimyrkyt ovat muuten VAMP-proteiinin toimintaa häiritseviä aineita),
kohdekalvossa taas syntaksiini-niminen kalvoproteiini. Nämä proteiinit saavat
rakkulan telakoitumaan kohdekalvoonsa.
Karkea solulimakalvosto
Golgin laite
Solukelmu
Syntaxin
VAMP
Kuva 15. Kalvorakkuloiden liikettä ja telakoitumista ohjaavien proteiinien toimintaperiaate. Lähestyvän kalvorakkulan pinnalla on VAMP- ja kohdekalvon pinnalla Syntaxin-proteiini. Nämä sopivat toisiinsa kuten avain ja lukko.
Jotta rakkula voisi telakoitumisen jälkeen vielä sulautuakin kohdekalvoonsa,
tarvitaan avuksi useita soluliman proteiineja (mm. NSF, Rab, SNAP eli
Synaptofysiini). Näiden proteiinien toiminta on erittäin tärkeää, koska
normaalisti kalvot hylkivät toisiaan. Jos näin taas ei olisi, saattaisivat solun
kaikki kalvorakenteet sulautua toisiinsa epämääräiseksi mössöksi.
γSNAP
NSF αSNAP
SNAP25
Syntaxin
VAMP
Kuva 16. Kalvorakkuloiden telakoitumisessa ja yhteensulautumisessa tarvittavien proteiinien toimintaperiaate. Kalvopintojen yhteensulautumiseen tarvitaan sekä kalvopinnoissa kiinni olevia (VAMP ja SYNTAXIN) että vapaita soluliman proteiineja (SNAPit ja NSF).
Lähestyvän kalvorakkulan pinta
Kohdekalvo
Selvittämättä on, miten jokin yksittäinen kalvorakkula sulautuu juuri oikeaan
lukuisista tarjolla olevista kalvopinnoista. Koska VAMP:it ja Syntaksinit ovat
kalvon läpi ulottuvia (=transmembraanisia) proteiineja, ne voisivat liittyä
kalvon sisäpuolisiin reseptoreihin, mutta toimia ulospäin
telakoitumismerkkeinä. Todennäköisesti kalvorakkuloiden jakelusta huolehtii
useampi samansukuinen ”proteiiniperhe”. Tietty perhe ohjannee rakkuloiden
siirtymisen esim. juuri Golgista juuri solukalvolle.
4.5. Insuliini-hormonin valmistaminen esimerkkinä rER:in ja Golgin
laitteen toiminnasta
Yleisiä asioita sokeritasapainon säätelystä
Haima (WSOY:n Ihminen s. 24, 79 ja 88-90) koostuu kahdesta toiminnallisesti
erilaisesta solukkotyypistä: avorauhas- ja umpirauhasosasta. Avorauhasosa
tuottaa kaikkia ravintoainetyyppejä hajottavia ruuansulatusentsyymeitä
(varsinainen akrobaatti siis). Nämä vapautuvat haimatiehyttä pitkin
ohutsuolen ensimmäiseen mutkaan (pohjukaissuoleen) mahalaukun
alapuolella.
Haiman umpirauhasosa tuottaa hormoneita. Kuuluisimpia näistä ovat
glukagoni ja insuliini, joiden avulla elimistö säätelee veren sokeritasapainoa.
Glukagonia haimassa tuottavat ns. Alfa-solut ja se nostaa veren
sokeripitoisuutta. Insuliinia tuottavat ns. Beta-solut ja se laskee veren
sokeripitoisuutta. Nämä hormonit ovat siis toistensa vastavaikuttajia.
Molempien hormonien eritystä säätelee suoraan verinesteessä virtaavan
sokerin määrä. Useimmista muista umpirauhasista poiketen haiman
hormonierityksen säätely on siis riippumatonta Hypotalamus-
aivolisäkejärjestelmästä (WSOY:n Ihminen s. 85 ja s.132).
Glukagoni vaikuttaa erityisesti sokerivarastoina toimiviin maksan soluihin.
Kun syömme hyvin sokeripitoista ravintoa, kaikkea sokeria ei heti
käytetäkään soluhengityksen tarpeisiin. Ylimääräinen sokeri varastoidaan
maksaan ja lihaksiin glykogeeninä. Kun glukagoni kiinnittyy maksasolun
pinnalla olevaan reseptoriinsa, alkavat sokerin pitkäketjuiset
varastomolekyylit (glykogeeni eli eläintärkkelys) hajota yksittäisiksi
”pikkusokereiksi”. Nämä siirtyvät maksasoluista verinesteeseen, jonka oikea
sokeripitoisuus on etenkin hermosolujen toiminnan edellytys.
Insuliinireseptoreita on kaikkien solujemme pinnalla. Kun insuliini kiinnittyy
omaan reseptoriinsa, se laukaisee solun sisällä toisiolähettijärjestelmän.
Toisioläheteistä viimeiset saavat solun sisällä olevat tietyt kalvorakkulat
yhtymään solukelmuun. Näihin (rER:stä peräisin oleviin) kalvorakkuloihin on
ankkuroitunut transmembraanisia sokerikanavaproteiineja (kuva 17).
ATP ja proteiini
ADP ja fosforyloitu proteiini
Glukoosia siirtyy veriplasmasta soluun
Glukoosikana-vien takaisin otto
Glukoosikanavat siirtyvät solukelmulle
Fosfaatti-ryhmä
Insuliini sitoutuu reseptoriinsa
Endosomi Kanava-vesikkeli Endosomi
Kuva 17. Insuliini ja sokerikanavien toiminta solussa. Insuliinin sitoutuminen reseptoreihinsa käynnistää solun sisällä ATP-käyttöisen toisiolähettijärjestelmän. Toisiolähettijärjestelmä saa solun sisällä olevat sokerikanavat (kanavavesikkelit eli kalvorakkulat) siirtymään solukelmulle. Tällöin sokeria alkaa siirtyä kanavaproteiinien läpi verinesteestä solun sisälle. Sokerikanavia sisältävät solukelmun osat imetään takaisin solun sisälle pieninä kalvorakkuloina. Nämä yhtyvät suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joista uusia kanavarakkuloita kuroutuu odottamaan lähtöä solukelmulle. Sokerikanavia siirtyy solukelmulle niin kauan kuin insuliinia on sitoutuneena reseptoreihinsa.
Insuliini saa siis sokerikanavat siirtymään solun ulkopinnalle päästäen näin
sokerin siirtymään verinesteestä solujen sisään. Sokerit päätyvät
mitokondrioissa tapahtuvaan soluhengitykseen ATP:n raaka-aineeksi.
Insuliinierityksen vähetessä solu imaisee sokerikanavia sisältävät solukelmun
osat uudelleen sisäänsä. Näin kanavaproteiinit kiertävät jatkuvasti soluliman
ja solukelmun välillä.
Insuliinin muokkaus rER:ssä ja Golgin laitteessa (saman tapaiset
vaiheet toteutuvat myös glukagonia tuotettaessa) (kuvat 18 ja 19)
Insuliinin tuotanto alkaa Beta-solujen tumassa. Täällä muodostuu insuliinin
varhaisin esivaihe: preproinsuliinin rakennetta koodaava lähetti-RNA-
molekyyli. Etuliite ”pre” sanassa ”preproinsuliini” paljastaa, että
insuliiniproteiinin ensimmäiseen versioon sisältyy signaalisekvenssinä toimiva
aminohappojärjestys. Tämän (ja SRP:n sekä SRP:n tunnistusreseptorin)
avulla ribosomin tuottama proteiini alkaa työntyä ER:n onteloon.
Välittömästi ER:ään työntymisen jälkeen leikkaajaentsyymit poistavat
signaalisekvenssin insuliinin esiasteesta. Tuloksena muodostuu
proinsuliinia. Tämä jatkaa kulkuaan rER:in sisällä ja päätyy lopulta Golgin
laitteeseen.
mRNA
Ribosomi
Karkea solulimakalvosto
PRE
B-ketju
C-ketju
A-ketju
Kuva 18. Insuliinin rakenne ja valmistumistapa. Insuliini on proteiinirakenteinen hormoni, jota tuotetaan haiman Beta-soluissa. Insuliinin ensimmäistä esivaihetta kutsutaan preproinsuliiniksi. Pre-osa on signaalisekvenssi. Signaalisekvenssi kiinnittyy solulimassa oleviin reseptoreihinsa (=SRP). Nämä taas kiinnittyvät omiin reseptoreihinsa karkean solulimakalvoston pinnalla ja vetävät mukanaan insuliinia valmistavat ribosomit karkean solulimakalvoston pintaan. Rakentumisensa aikana insuliinimolekyyli työntyy karkean solulimakalvoston sisälle. Tehtävänsä hoidettuaan signaalisekvenssi leikataan irti. Jäljelle jää proinsuliini. Tässä on kolme osaa: A-, B- ja C-ketju. Proinsuliinissa C-ketju yhdistää A- ja B-ketjua. Se leikataan irti vasta juuri ennen insuliinin vapautumista Beta-solusta verenkiertoon. Muidenkin proteiinirakenteisten hormonien valmistamisessa on usein samantapaisia vaiheita.
Etuliite ”pro” johtuu siitä, että insuliini muodostuu kahdesta erillisestä
aminohappoketjusta: A- ja B-ketju. Proinsuliiniksi kutsutussa esimuodossa A-
ja B-ketjun välissä on kuitenkin vielä ns. C-ketju. C-ketju leikataan pois
insuliinia muokattaessa. Ketjun irroittava viimeinen muokkausvaihe tapahtuu
vasta Golgin laitteen jälkeen. Sen toteuttavat entsyymit, joita insuliinia
kuljettaviin kalvorakkuloihin pakataan Golgin laitteessa. Insuliinin rakennetta
muokataan myös koko sen ajan minkä insuliini on Golgin laitteen sisällä.
Jokaisessa kalvorakkuloiden siirtymävaiheessa insuliinin vaeltamista
solulimassa ohjataan kalvorakkuloiden pinnalla olevien ”avain-lukko”-
proteiinien avulla.
Beta-solun tuma
Karkea solulimakalvosto eli r E R
Golgin laite
Preproinsuliini
Ribosomi
Valmis insuliini
C-ketju
Proinsuliinia sisältävä kalvorakkula eli vesikkeli yhtyy solukelmuun
Insuliinin rakennetta muokkaavia entsyymejä
Solukelmu
Kuva 19. Insuliinin synty ja muokkaus rER:n ja Golgin laitteen sisällä.
Golgin laitteen cis-puoli
Golgin laitteen trans-puoli
Proinsuliini
4.6. POMC-geenin toiminta
Insuliinia monimutkaisempi esimerkki proteiinien muokkauksesta on
aivolisäkkeen etulohkon ja joidenkin keskushermoston neuronien
valmistamien hormonien tuotantotapa. Näistä monien rakenneohjeena on
sama POMC-geeni. Geenin pilkkomaton tuote on nimeltänsä prepro-
opiomelanokortiini (prePOMC). Kun siitä poistetaan signaalisekvenssi, sitä
kutsutaan nimellä POMC. Eri tavoin leikkaamalla POMC:sta saadaan kuusi
erilaista hormonia (kuva 20):
1) Ne aivolisäkkeen solut, joiden tehtävänä on erittää lisämunuaiskuorta
stimuloivaa ACTH:ta (adenokortikotrooppista hormonia), leikkaavat
palan POMC:sta ACTH:ksi. Jäljelle jäävästä pätkästä saadaan erilaisilla
leikkauksilla beta-lipotrofiinia ja beta-endorfiinia. Nämä erittyvät
verenkiertoon yhdessä ACTH:n kanssa. Beta-lipotrofiinin tehtävää ei
tunneta, muta beta-endorfiini ilmeisesti vähentää kipuherkkyyttä.
2) Tietyt hermosolut valmistavat POMC:sta kolmea erilaista ihon
melanosyyttejä stimuloivaa hormonia (=MSH).
Huomaa myös, että monet hermosolut käyttävät ACTH:ta, beta-endorfiinia ja
MSH:ta välittäjäaineena.
Signaali- sekvenssi Fragment ACTH
PrePOMC
Beta- lipotrofiini
Signaali- sekvenssi Fragment
Gamma- MSH Fragment
Alfa- MSH Fragment
Alfa- lipotrofiini
Beta- endorfiini
POMC
Kuva 20. Translaation jälkeinen muokkaaminen voi leikkaustavasta riippuen tuottaa pro-opiomelanokortiinista (POMC) peräti kuusi erilaista hormonia.