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.