Solu ja molekyylibiologian perusteet

Vuorokausi ja vuosirytmin ylläpitäminen on eläimille keskeinen haaste etenkin tropiikin ulkopuolella. Muuttomatkan, lisääntymiskauden tai höyhenpeitteen vaihtaminen on tehtävä oikeaan aikaan koska muuten vaarantaa sekä oman että jälkeläisten turvallisuuden. Rytmi tehdään pääsääntöisesti hermostollisesti ja hormonaalisesti.

Lämpötilat ja niihin sopeutumiset ovat keskeinen osa vertailevan fysiologian oppikirjoja. Eläimet joko pyrkivät mukauttamaan solutoimintoja muuttuviin ruumiinlämpöihin tai ylläpitämään solujen lämpötilaa tasaisena. Molemmissa tapauksissa lämpötila vaikuttaa runsaasti myös siihen, millaisessa ympäristöön pystymme elämään.

Eläinten ympäristöönsopeutuminen 2 Metabolia. Energiankulutus on ymmärrettävästi kaikille eläimille välttämätön muuttuja. Mikäli syömme enemmän kuin kulutamme, meille kertyy massaa ja päinvastaisessa tapauksessa on vaarana nälkäkuolema. Mihin energiaa sitten kuluu ja miten energiankulutusta mitataan? Miten jotkin eläimet pystyvät elämään puolet elämästään hyvin pienellä energiankulutuksella?

Eläinten ympäristöön sopeutuminen eli vertaileva fysiologia selittää mekanismit, joiden avulla eläimet pystyvät selviytymään elämästä hengissä. Siinä yhdistyvät lääketieteellisen fysiologian perusperiaatteet eläinten laajaan kirjoon. ENVADAPT podcast sarja on suunnattu erityisesti yliopisto-opiskelijoiden lisämateriaaliksi, mutta se soveltuu kaikille aiheesta kiinnostuneille.

Lihassolujen supistumisen säätely on eräs fysiologian suuria mysteereitä. Lihassolu on pitkälti erikoistunut pumppu, jonka hallittu lyheneminen saa luummel liikkeelle, veren virtaamaan ja myös verisuonten halkaisijan säädeltyä. Vastaavia säätelymekanismeja on itse asiassa myös kaikissa eritävissä soluissa, jolloin lihaksen toiminnan opettelu auttaa ymmärtämään solujemme toimintaa yleisesti.

Kantasolututkimuksen kehitys on on ollut ällistyttävän nopeaa ja siksi sen seuraaminen on käytännössä mahdotonta. Tutkimuksella pyritään toisaalta löytämään mahdollisuuksia sairauksien hoitamiseen ja toisaalta kantasolut jatkuvasti jakautuvina mahdollistavat niiden käytön esim. rokotteiden kehitystyössä. Jos elimistössämme on tällaisia erilaistumattomia soluja, miksi emme pysty korjaamaan vaurioituja elimiämme tai hoitamaan sairauksiamme nykyistä enempää terapeuttisella kloonauksella.

Kehitysbiologinen lajiutuminen otuo kehitysbiologian biologian keskelle. Tällöin voimme ymmärtää lajien erilaistumisen säätelytekijöiden muutoksina, mikä saa Darwinin sirkkujen nokat muuttumaan tai lepakon eturaaat kasvamaan.

Kemialliset aineet voivat vaurioittaa alkion kehittymistä, minkä vuoksi raskauden aikana vältetään esimerkiksi alkoholin käyttöä. Kuitenkin suurin osa kehityshäiriöistä johtuu muista syöstä kuin altistumisesta teratogeeneille.

Valitettavasti yksilönkehityksessä ei aina käy kuten Strömsössä vaan melko suuri osa kehittymään lähtevistä alkioista kuolee ennen syntymää. Merkittävin tekijä tälle on kromosomistomutaatiot eli kromosomien väärä määrä hedelmöittyväsäs munasolussa. Mutaatiot voivat myös aiheuttaa monia kehityshäiriöitä.

Vaikka siittiöitä eritetään runsaasti, ei niistä välttämättä yksikään hedelmöitä munasolua. Hedelmöittymistä estää monet vaiheet, jotka karsivat paitsi toimintakyvyttömiä siittiöitä, myös valitsevat siitiöiden välillä. Seurauksena on, että hedelmällisyyden ongelmat voivat johtua rakenteellisten ongelmien lisäksi naisen elimistön vastustaessa kyseisen miehen siittiöitä. Aihetta valottaa haastattelussa akatemiatutkija Jukka Kekäläinen Itä-Suomen Yliopistolta.

Yksilönkehityksemme on vain osittain geeneissä olevien ohjeiden määräämää, jolloin kehomme pystyy sopeutumaan erilaisiin ympäristöolosuhteisiin. Tätä kutsutaan fenotyyppiseksi joustavuudeksi ja se ilmenee meissä ihmisissäkin monella tavalla.

Vuonna 2021 aloitan muiden yliopistolla opettavien ohjaamisen verkko- ja monimuotodedagogiikan haltuun ottamiseksi. Tämä ei vaikuta normaaliin opetustyöhöni eikä edes näiden podcastien tuottamiseen, joissa ensi kevään jaksot ovat jo suunnittelun alla.

Yksilönkehitys ei aina vaadi kahden sukupuolen läsnäoloa. Monilla selkärangattomilla ja joillain selkärankaisillakin neitseellinen hedelmöittyminen on tavallista. Väitetään sitä esiintyneen myös erilaisissa tarinoissa.

Sukupuolen määräytymistä pidetään itsestään selvyytenä, millä myös perustellaan syrjivää kohtelua. Kuitenkin sukupuolikromosomien roolia ei ole tunnettu kuin reilut sata vuotta ja biologinenkaan sukupuolen määräytyminen on kovin yksinkertaisesti pelkkien X ja Y kromosomien perusteella.

Jalat ja kädet ovat rakenteita, jotka näkyvät jo varhain esim. ultraäänitutkimuksissa. Lisäksi huomaamme helposti niissä olevia yksilöllisiä eroja. Niiden kehittymisen tarkastelu saa meidät myös ymmärtämään gastrulaatiossa kehittyvän mesodermin kehittymisen.

Hermoston kehittyminen on eräs varhaisimpia näkyvistä yksilonkehityksen tapahtumista. Kuitenkin sen kehittyminen ei pääty itseasiassa koskaan, mikä mahdollistaa yhtälailla elinikäisen oppimisen kuin unohtamisen.

Yksilönkehityksesä solut järjestäytyvät tarttuessaan toisiinsa liima-aineilla. Tämä yhdessä säätelytekijöiden aiheuttaman ohjauksen kanssa mahdollistaa solukerrosten suuren vyöryn gastrulaatio nimisessä tapahtumassa, jossa kehittyy kolme solukerrosta: ektodermi, mesodermi ja endodermi.

Solut viestivät toisilleen yksilönkehityksen aikana pääasiassa erilaisilla liukoisilla säätelytekijöillä. Nämä tekijät savat aikaan solujen erilaistumisen, jolloin erilaiset solutyypit saavat rakennettua mielekkäitä kokonaisuuksia yhdessä.

Koostumme soluista, jotka ovat erilaistuneet. Tällöin lihassoluissa on proteiineja, joita tarvitaan supistumiseen ja sen säätelyyn, kun taas maksasoluissa on monia molekyylien muokkaamiseen tarvittavia entsyymejä. Erilaistuminen tapahtuu yksilönkehityksen aikana säätelemällä DNA:ssa olevia säätelyalueita, pakkaamalla DNA:ta tiukemmin histoneiden ympärille tai metyloimalla DNA:ta, jolloin geenin transkriptio tai säätely voidaan estää.

Lisääntymisessä kaksi haploidia solua muodostaa uudenainutlaatuisen yksilön. Kuitenkin hedelmöityksen onnistumiseen vaikuttavat useat muutkin solut ja elimet siittiön ja munasolun lisäksi.

Solujen erilaistuminen ja siihen liittyvä signalointi on oleellista yksilönkehitykselle. Tätä tarkastellaan podcast sarjan kehitysbiologiaa tarkastelevissa jaksoissa. jaksot julkaistaan osana Digicampuksella avoinna olevaa UEF: Kehitysbiologia Mooc-kurssia.

Hermosolun toiminnalle ei riitä, että aktiopotentiaali etenee aksonia pitkin. Solun on myös viestittävä toisille soluille, että aktiopotentiaali on päässyt aksonin päähän saakka. Jaksossa tutustutaan synapsien kemialliseen ja sähköiseen säätelyyn ja hermosolujen toimintaan yhdessä kuuloaistin yhteydessä.

Aivojen toiminnan ymmärtäminen on mahdollista vain ymmärtämällä yksittäisiä hermosoluja ja tämä puolestaan ei onnistu ilman käsitystä sähköfysiologian perusteista. Jaksossa tutustutaan aksonin ja yksittäisten ionikanavien toimintaan ja niiden löytymiseen liittyneisiin tutkimuksiin.

Jos kerran otamme ravintoa, jonka avulla pystymme liikkumaan ja muokkaamaan biomolekyylejä, on meidän myös jotain tehtävä muodostuvalle typpijätteelle. Kuitenkin munuaista tarvitaan urean lisäksi myös moneen muuhun tehtävään - vaikka sen merkityksen usein muistaakin vasta munuaisen toimintahäiriöiden sattuessa.

Ruoansulatus on fysiologian aiheista perinteisesti helpoimpia ja sitä käydään läpi moneen otteeseen eri oppiasteilla. Kuitenkin ajattelemalla ravintoaineiden hajotusta ja imeytymistä yksittäisen solun toiminnan kannalta, huomataan, että jo pelkkä syljen eritys vaatii pientä osmoosiin ja avustettuun diffuusioon liittyvää aivojumppaa.

Happi on ravinnon lisäksi välttämätöntä solujen tehokkaalle toiminnalle. Tätä varten verenkierto yhdistyy keuhkoihin, joissa kaasuja vaihdetaan ympäristön ja eläimet välillä. Näidenkin havaintojen vuoksi on useampi koe-eläin ja muutama tieteentekijäkin menettänyt henkensä.

Jotta solut saavat raaka-aineita energiantuotantoaan varten, on useimmilla eläimillä tehokas tapa siirtää ravintoaineita ja kaasuja ympäri elimistöä. Tästä esimerkkinä ihmisen suljettu verenkierto, jonka toiminnan ymmärtäminen ei 500 vuotta sitten ollut ihan turvallisimpia harrasteita.

Solut tarvitsevat kaiken aikaa energiaa pystyäkseen toimimaan. Saamme sitä tarjottua niille joko syömällä ravintoa tai käyttämällä kehomme ravintovarastoja energiantuotannossa. Kuitenkin ravinto voi aiheuttaa meille terveyshaittoja, mikäli sen kulutus ja saanti eivät ole tasapainossa.

Koska koostumme useista erilaisista soluista, jotka muodostavat erikoistuneita kudoksia ja elimiä, on solujen välinen kommunikaatio välttämätöntä. Tähän tarvitaan kemiallista säätelyä, josta tutuimpia ovat hormonien ja hermovälittäjäaineiden vaikutukset. Solutasolla tarkasteltuna viestimolekyylin tyypillä tai edes sillä, mitä solunsisäistä signaalireittiä käytetään ei ole vaikutusta toimintamekanismeihin.

Fysiologiset toiminnot perustuvat elimiin, jotka koostuvat kudoksista. Siten kudokset ja niissä olevat solut muodostavat näytelmän kulissit, joissa ruumiintoimintomme pystyvät tapahtumaan. Näihin kulisseihin voidaan tutustua tarkastelemalla mikroskooppisia preparaatteja.

Vuonna 2020 aloitetaan Solu ja molekyylibiologian perusteet podcast-ohjelmassa eläinfysiologiaa käsittelevä sarja. Sarja on luotu tukimateriaaliksi Digicampus-alustalta löytyvälle avoimelle UEF Eläinfysiologia ja histologia 5 op:n kurssille. Uskomme kuitenkin, että varsinkin solutasolla tarkasteltua fysiologian periaatteet eivät oleellisesti eroa solu- ja molekyylibiologian sisällöistä. Siksi seuraavien parinkymmenen jakson aikana etsimme solubiologian biokemian ja molekyylibiologian sovelluksia, jotka liittyvät eläinten toimintaan – fysiologiaan.

Molekyylibiologian menetelmien käytöstä saa parhaiten käsityksen esimerkkien valossa. Selvitin 15 vuotta sitten mysteerin tutkiessani periytyvää sydänsairautta. Lopulta tiesimme tarkkaan, miksi perheenjäsenten sydän ei kestä. Kuitenkaan emme pystyneet heitä auttamaan.

Molekyylibiologian menetelmät ovat lisänneett ymmärrystämme esilaisten sairauksien mekanismeista. Sairauksen molekyylibiologiasta keskustelevat Yliopistotutkija Jaakko pohjoismäki ja HY:n molekyylilääketieteen apulaisprofessori Henna Tyynismaa

98 % perimästämme ei koodaa proteiineja. Kuitenkaan kyse ei ole mistään haaskauksesta vaan tarvitsemme suuren määrän DNA:ta, jotta voimme säädellä, mitä geenejä luetaan ja mitä proteiineja tuotetaan missäkin solussa. Aiheesta keskustellaan yliopistotutkijan Jaakko Pohjoismäen kanssa.

Elämä perustuu paitsi erilaisiin hiiliyhdisteisiin myös geneettiseen koodiin ja sen yksinkertaiseen ominaisuuteen, jossa tietyt emäksen ovat aina vastakkain. Ei siis ihme, että DNA:n rakenne on tunnetuin biomolekyyli. DNA:n kopiointi on soluillemme välttämätöntä, minkä lisäksi emme voi käsittää esimerkiksi geenien aktiivisuutta ymmärtämättä DNA:n rakennetta,

Solu- molekyylibiologian podcast-ohjelma alkoivat syyskuussa 2015, minkä jälkeen ne ovat löytäneet vähitellen laajan joukon aktiivisia kuuntelijoita. Kuunteluiden yhteismäärä lähestyy jo 30 tuhatta. Miten ohjelmasarja sai alkunsa ja miten se on kehittynyt 5 vuoden aikana? Millaiset ohjelmat ovat olleet suosittuja ja mitä sinä haluaisit ohjelmasarjalta? Lähetä palautetta somo@uef.fi

Biokemialliset reaktiot tapahtuvat termodynamiikan pääsääntöjen ohjaamina, jolloin pystymme uskottavasti erottamaan mahdolliset ja mahdottomat reaktiot toisistaan. Biomolekyylien reaktiohin vaikuttavat kuitenkin yleensä entsyymit, jotka helpottavat reaktion etenemistä fysiologisissa oloissa.

Biologiset makromolekyylit koostuvat vain muutamasta atomista, mutta ne koostavat mitä mielikuvituksellisimpia toiminnallisia rakenteita esim. proteiineina. Mihin sokereiden ja proteiinien rakenteiden vaihtelu perustuu ja miten proteiinit laskostuvat toiminnallisiksi kokonaisuuksiksi?

Standardimenetelmä proteiinien rakenteen määrityksessä on röntgensäteiden siroutumiseen perustuva proteiinikristallografia. Menetelmän toiminnasta ja erilaisista rakenteen määritystavoista kertoo podcast-jaksossa professori Juha Rouvinen Itä-Suomen yliopiston kemian laitokselta.

Biomolekyylit ovat usein erittäin suuria, jolloin niiden määrittäminen ei onnistu yksinkertaisilla toiminnallisten ryhmien analyysillä koeputkesta. Tunnistamiseen parempi tapa on käyttää erilaia spektroskooppisia menetelmiä, joista tutkimuspäällikkö Markku Keinänen Itä-Suomen yliopistolta kertoo podcast-haastattelussa tarkemmin.

Usein biologiset molekyylit sisältävät vain kourallisen erilaisia atomiryhmiä, jotka vaikuttavat molekyylien toimintoihin, Siksi on hämmästyttävää, että yksinkertaiset hiiliyhdisteet pystyvät rakentumaan mitä erilaisimmiksi toiminnallisiksi koneiksi, jotka leikkaavat ja liimaavat muita molekyylejä.

Alkoholin vaikutukset ja haittavaikutukset ihmisten käyttäytymisessä tunnetaan, mutta mekanismit, joilla pienet alkoholiannokset vaikuttavat hermostossa, ovat kaikkea muuta kuin selvillä. Jotta fysiologiset vaikutukset viinilasillisesta tai olutpullollisesta saadaan selville on ensin laskettava, paljonko etanolimolekyylejä plasmassa on ja miten ne vaikuttavat eri reseptoreihin.

Ei ole elämää ilman atomeita ja niiden muodostamia molekyylejä. Siksi biomolekyylien rakentuminen on aloitettava alkuräjähdyksestä ja atomien rakenteen ymmärtämisestä. Kemia on paitsi ihanaa myös välttämätön väline, jos haluamme ymmärtää biomolekyylien toiminnan hienouksia.

Solujen jakautuminen on ensimmäinen seikka, johon jokainen soluviljelmiin tutustuja törmää, minkä lisäksi solusyklin säätely voi tulla vastaan myös valitettavasti esim. syöpähoidoissa. Kuitenkin, solujen lukumäärän säätely on erittäin merkittävä tekijä jo sellaisenaan - elimemme pysyvät oikean kokoisina ja toimintakykyisinä, koska säätelemme solujen mahdollisuuksia jakautua.

Kasvit ovat elintärkeitä lähes kaikelle elämälle tällä planeetalla. Jaksossa paneudumme fotosynteesin mekanismeihin ja vaikutuksiin kasvien ympäristöön sopeutumisessa yhdessä yliopistonlehtori Sari Kontunen-Soppelan kanssa.

Energiantuotantoa tapahtuu soluissamme sekä ilman happea että happea käyttäen. Meille energiaa tuhlaaville nisäkkeille mitokondriot ja hengittäminen ovat oleellisia, jolloin keuhkojen toimintohäiriöt ovat erittäin vaarallisia. Kuitenkin energiantuotanossa on hyvä muistaa, että kaikki eliöt eivät happea kuitenkaan aina tarvitse.

T solut tuhoavat tehokkaasti virusten infektoimat solut, mutta yhtä olennaista on jättää osa soluista muistisoluiksi, jotka pystyvät tuhoamaan viruksen entistä paremmin seuraavalla tapaamiskerralla.

Useat virukset pystyvät jonkin verran huijaamaan immuunipuolustustamme mutta onneksi ennemmin tai myöhemmin hankittu immuunipuolustuksemme pystyy ne tunnistamaan. B ja T imusolut eivät kuitenkaan itse suoraan tapa yhtään solua vaan tarjoavat muille siihen mahdollisuuden. Miten solut voidaan määrätä tuhottavaksi ja miten tuhoaminen tapahtuu? Voitaisiinko virusinfektion lisäksi samaa menetelmää käyttää esim. syöpäsoluen tuhoamisessa?

Corona pystytään tuhoamaan siinä missä muutkin virukset sekä synnynnäisellä että hankitulla immuniteetillä. Kuitenkin virukset ovat kehittäneet lukuisia mekanismeja estääkseen näitä prosesseja, minkä vuoksi ne voivat laukaista meillä tilapäisiä tauteja tai osoittautua jopa liian hankaliksi paloiksi poistettavaksi elimistöstä kokonaan.

Corona-virus on saanut ihmiset havaitsemaan, että ympärillämme on erilaisia taudinaiheuttajia, joita vastaan elimistömme pyrkii taistelemaan parhaan kykynsä mukaan. Kuinka tämä toimii ja millaisilla solunsisäisillä signaaliketjuilla immuunipuolustuksemme kykenee taistelemaan tavallista flunssaa tai Coronavirusta vastaan?

Solukalvojen toiminta vaikuttaa solujen säätelyyn myös solun sisäisillä prosesseilla. Näitä kutsutaan yleisesti solujen signaloinniksi ja ne vaikuttavat esim. kaikkien hormonien vaikutusreitteihin. Haastattelen jaksossa professori Pasi Tavia AIV-instituutista, UEF:stä Kuopiosta.