1. Solujen viestintä

2. Kuljetusmekanismit solukalvon läpi Passiivinen kuljetus • Pitoisuusgradientin suuntaan ilman energiaa • Kuljetettavalla aineella sähkövaraus, sähkökemiallinen potentiaali • Sähkökemiallinen potentiaali • Potentiaalienergian minimointi

3. Diffuusio 1 Molecules of dye Membrane Diffusion of one solute WATER

4. Diffuusio 2

5. Diffuusio 3 EQUILIBRIUM

6. Diffuusio 4 Diffusion of two solutes

7. Diffuusio 5

8. Diffuusio 6 EQUILIBRIUM

9. Passiiviset kuljettajat • Polaaristen aineiden kuljettajat transporttereita, vähentävät aktivaatioenergiaa • Avustettuakuljetusta (facilitated diffusion)

10. Avustetut kuljetusmekanismit 1 Facilitated diffusion

11. 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 (O2, N2, CO2)

12. Akvaporiinit • Munuaisen tubulussoluissa, absorboivat vettä takaisin virtsanmuodostuksen aikana • Kasvisolujen vakuolin kalvolla säätelevät vakuolin vesimäärää, ylläpitävät solujen mekaanista rakennetta • Virtausnopeus akvaporiinin läpi 5x108 molekyyliä/s (vrt. suurin entsyymireaktionopeus 1x 107 substraattimolekyyliä/s

13. Glukoosikuljettajat 1 • Punasolujen energiametabolia • GluT1 kiihdyttää glukoosin siirtoa punasoluihin 50 000 x • GluT1 integraaliproteiini, 12 hydrofobista aluetta, -kierteitä muod. kanavan • K1-arvo glukoosille 1.5 mM • K1-arvo galaktoosille 30 mM

14. Glukoosikuljettajat 2 • Solutyypeittäin • Maksassa GluT2 • K1-arvo D-glukoosille 66 mM • Glukoosin sisäänotto maksasoluihin tehokasta • Glukoosin luovutus maksasoluista verenkiertoon glykolyysissä GluT:n avulla

15. Glukoosikuljettajat 3 • 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

16. Kuljetustapahtuma ryhmät Uniportti • Kuljetetaan yhtä ainetta Symportti • Kahden tai useamman aineen samanaikainen kuljetus samaan suuntaan Antiportti • Kahden tai useamman aineen kuljettaminen vastakkaisiin suuntiin

17. Aktiivinen kuljetus

18. Aktiivinen kuljetus • Vaatii energiaa • Aine siirretään konsentraatiogradienttia vastaan • Kuljettajaproteiinit tarvitsevat ulkopuolisen energialähteen • Energia ATP:ltä • Kuljettaja-ATPaaseja

19. Aktiiviset kuljetusmekanismit Oligosaccharides OUTSIDE OF CELL INSIDE OF CELL Binding site for ATP

20. Na+/K+ ATPaasi • ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa out 3 Na+ ATPaasi solukalvo ATP ADP + P in 2 K+

21. Na-K-ATPaasi 1 Initial state: pump open to inside OUTSIDE OF CELL 3 Na+ are taken from inside

22. Na+/K+ ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H+ • gradientti 1: 1 000 000 (106) • pH solussa 7, ulkopuolella 1-2

23. Na-K-ATPaasi 3 ATP phosphorylates α subunits INSIDE OF CELL Pump open to outside, ready to start second half of cycle A conformational change following phosphorylation expels 3 Na+ to outside

24. Na-K-ATPaasi 3 5. Dephos- phorylation triggers conformational change 4. Two K+ accepted from outside

25. Aktiivinen kuljetusmekanismi Na/K-pumpun toiminta konsentraatiogradienttia vastaan

26. ATPaasityypit 1 Neljä tyyppiä • Rakenne • Toimintamekanismi • Sijainti erilaisia

27. ATPaasityypit 2 P-tyyppi • Katioininkuljettajia • Fosforyloituvia • Inhiboituvat vanadaatilla tai ouabaiinilla • Na+K+-ATPaasi (Na+/K+ antiportteri) • Ca2+-ATPaasi • Mahalaukun seinämän parietaalisolujen H+ ja K+ antiportteri

28. 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)

29. Protonipumppu 1 EXTRACELLULAR FLUID CYTOPLASM

30. Protonipumppu 2 Diffusion of H+ Sucrose

31. ATPaasityypit 4 F-tyyppi • Bakteerien solukalvoilla • Eukaryosyyttien mitokondrioissa • Kloroplasteissa • Käänteisessä roolissa protonipumppuina • Kalvon lävistävä protonikanava eli F0-osa ja F1-osa (sis. ATPsyntaasin) • Siirtää lääkeaineita ulos soluista (multidrug transporter) • Aktivoiduttuaan lisää syöpäkudoksen vastustuskykyä samanaikaisesti useille lääkeaineille

32. Kuljetusmekanismit, yhteenveto Lipofiilisetaineet, esim.melatoniini Diffusion through lipid bilayer Facilitated diffusion Active transport Passive transport

33. 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

34. solukalvoissa kaliumkanavia ja kloridikanavia Eivät ole kyllästettävissä Virtaus jopa 108 ionia/s Kanava sulkeutuu tai avautuu vasteena solutapahtumaan (10-3s) jos molemmat (Cl- ja K- kanavat kiinni: V = 0 mV jos K-kanava auki ja Cl-kanava kiinni: V = -58 mV jos molemmat kanavat auki: V = 0 mV Ionikanavat Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(Cout/Cin)

35. Toiminta hermoim-pulssin 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 Depolarisaatio ja ionikanavat

36. Potassium channel OUTSIDE CELL PLASMA MEMBRANE INSIDE CELL Sodium channel Kanavan sytoplasman puoleisella pinnalla vesionkalo, K:lla säilyy vesivaippa. Vesi korvautuu onkalossa pp-ketjulla. 1. Resting state

37. Activation gate OUTSIDE CELL INSIDE CELL Kanava auki muutaman ms 2. Depolarizing phase Kanavan ympärillä posit. varautuneita polypeptidiketjujen jaksoja, reagoivat kalvopot. muutoksiin

38. OUTSIDE CELL INSIDE CELL Inactivation gate 3. Repolarizing phase Sytoplasman puoleinen proteiinidomeeni toimii inaktivaatioporttina

39. OUTSIDE CELL INSIDE CELL 4. Undershoot

40. Aktiopotentiaali 5 Region of depolarization

41. Aktiopotentiaali 6 Inactivated Na+ channels Movement of action potential

42. monet myrkyt sitoutuvat hermon toiminnan kannalta tärkeisiin proteiineihin, kuten: tetrodotoksiini (eristetty japanilaisesta fugu-kalasta, pallokala Spheroides rubripes)  salpaa Na-kanavan Saksitosiini siimaeläimen (Gonyaulax) tuottama myrkky  estää Na-kanavan toiminnan Dendrotoksiini, mustan mamban myrkky  salpaa K-kanavaan vaikuttava myrkky Bungarotoksiini, cobtoksiini käärmemyrkkyjä Ionikanavat 2

43. Ionikanavan toiminnan tutkiminen • 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

44. Patch clamp -tekniikka 1 Glass pipette Membrane Ion channel

45. Patch clamp -tekniikka 2

46. Patch clamp -tekniikka 3

47. 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 (Cl-kanava + neurotransmtteri) vaikutuksen postsynaptiseen neuroniin Miten hermosolut kommunikoivat toistensa kanssa?

48. yleisin inhibitorinen neurotransmitteri –aminovoihappo (GABA) neurotransmitterin vapautuminen on riippuvainen ainakin neljästä proteiinista Miten hermosolut ...

49. GABA-erginen neuroni Cl- GABA or glycine GABA or glycine Action potential GABA or gylicine receptor Presynaptic cell Ca2+

50. Synaptic terminals of presynaptic neurons Dendrites of postsynaptic neuron Myelin sheath Cell body of postsynaptic neuron Axon hillock Axon of postsynaptic neuron Terminal branches of presynaptic neurons