ENTSYYMIEN KOLMIULOTTEISET RAKENTEET

Miten entsyymit rakentuvat ja toimivat?

Professori Rikkert Wierengan tutkimusryhmä

Entsyymit ovat proteiineja, jotka suorittavat kemiallisia reaktioita. Niiden kolmiulotteinen rakenne on oleellinen toiminnan kannalta. Jokaisessa entsyymissä on kohta, jota kutsutaan aktiiviseksi keskukseksi ja johon muutoksen kohteena oleva aine kiinnittyy ja käy läpi entsyymin säätelemän reaktion. Ihmiset ovat osanneet käyttää hyväkseen erilaisia entsyymejä jo vuosisatoja.

Proteiinin kolmiulotteisen rakenteen tunteminen on tarpeellista, kun halutaan tarkemmin tutkia entsyymin toimintaa. Rakenteista tehtyjä molekyylimalleja käytetään hyväksi mm. lääkkeiden suunnittelussa, bioteknologiassa, halutunlaisen proteiinin suunnittelussa ja esimerkiksi johonkin tautiin johtavan geenivirheen tarkastelussa.

Proteiinin rakennetta voidaan selvittää mm. kristallografisin menetelmin. Siinä puhdistettu proteiini kiteytetään ja voimakas röntgensäde johdetaan kiteen läpi. Säteet heijastuvat kiteen eri osista eri tavalla muodostaen tietynlaisen kuvion. Tämän kuvion avulla voidaan alkaa määrittää proteiinin kolmiulotteista rakennetta.

Tutkimuksessamme käytämme kristallografiaa selvittäessämme eri entsyymien rakennetta ja toimintaa. Pyrimme mm. muokkaamaan entsyymejä niin, että ne voivat käyttää hyväkseen erilaisia lähtömateriaaleja.

PEROKSISOMIT JA AINEENVAIHDUNTA

Miten rasvojen pilkkominen tapahtuu?

Professori Kalervo Hiltusen tutkimusryhmä

Jokaisella elimellä on oma erityinen tehtävänsä. Tehtäväjako ulottuu aina solutasolle ja soluissa vielä solujen sisällä oleviin osastoihin eli soluelimiin. Niissä tapahtuvat kaikki keskeiset biokemialliset reaktiot.

Rasvat ovat elimistölle välttämättömiä yhdisteitä, joita tarvitaan soluja ympäröivien kalvojen rakennusaineina. Rasvat toimivat myös solujen energiavarastoina.

Koska rasvat liukenevat huonosti veteen, niiden kuljetus ja hajotus vaativat erikoisjärjestelyjä. Rasvojen pilkkomisjärjestelmä, b-oksidaatio, toimii kahdessa solun sisäisessä soluelimessä - mitokondrioissa ja peroksisomeissa. Jotta rasvat saadaan pilkottua, tarvitaan useiden eri entsyymien yhteispeliä.

Mitokondriot ovat solujen energiatehtaita. Ne muuttavat ravinnosta saatavan energian muotoon, jota solut pystyvät hyödyntämään. Peroksisomit ovat solun ongelmajätteen poistolaitoksia, joissa soluille haitalliset aineet hajotetaan vaarattomiksi. Esimerkiksi alkoholi hajoaa pääasiassa maksasolujen peroksisomeissa.

Tieto entsyymijärjestelmistä auttaa meitä ymmärtämään niitä toimintatapoja, jotka muuttavat veteen huonosti liukenevia yhdisteitä vesiliukoisiksi. Entsyymien rakenteen ja toiminnan selvittäminen antaa tietoa rasvojen pilkkomisen evoluutiosta. Tavoitteenamme on selvittää, kuinka rasvat hajotetaan soluissa.

MITEN RASVOJA PILKKOVAT MONITOIMISET ENTSYYMIT TOIMIVAT?

Dosentti Tuomo Glumoffin tutkimusryhmä

Peroksisomit ovat solun sisällä olevia soluelimiä, jotka osallistuvat useaan aineenvaihduntatapahtumaan. Niissä tapahtuu esim. vaarallisen vetyperoksidin muuttaminen vaarattomaan muotoon. Myös alkoholi hajotetaan pääasiassa maksan peroksisomeissa. Näiden tehtävien lisäksi nämä solukalvon ympäröimät soluelimet osallistuvat kolesterolin ja sappihappojen valmistukseen sekä rasvojen hajottamiseen.

Rasvojen hajotuksessa, β-oksidaatiossa, hiiliketjultaan pitkät ja haaroittuneet rasvahapot hajotetaan lyhyemmiksi ketjuiksi. Lyhennetyt ketjut kuljetetaan toiseen soluelimeen, mitokondrioon, lopullista hajotusta ja energian saantia varten.

Rasvojen hajotuksessa toimii useita erilaisia entsyymejä. Osa näistä on monitoimisia eli niissä on enemmän kuin yksi erilainen aktiivisuus samassa entsyymiproteiinissa. Tutkimuksemme kohde on monitoiminen MFE-2 -proteiini. Tavoitteenamme on selvittää, miten nämä proteiinit eri eliöillä rakentuvat ja toimivat, ja voidaanko niistä saada yleisempää tietoa monitoimisten proteiinien rakenteista ja toiminnasta.

Tietyt aineenvaihduntasairaudet, jotka pahimmillaan johtavat kuolemaan ensimmäisten elinvuosien aikana, johtuvat peroksisomien rasvojen hajotusjärjestelmässä olevista virheistä. Olemme selvittäneet myös MFE-2 –proteiinin toimimattomuudesta aiheutuvan sairauden molekulaarista taustaa ja selvitämme edelleen niitä mekanismeja, joilla MFE-2 –proteiinista tulee toimimaton, sairauden aiheuttava tekijä.

PROTEIINIEN RIKKISILLAT

Miten proteiineihin syntyy rikkiatomien välille siltoja?

Professori Lloyd Ruddockin tutkimusryhmä

Endoplasminen kalvosto (ER) on soluelin, jossa solun valmistamat proteiinit lajitellaan. Osa proteiinista eritetään kalvostosta pois, osa kulkeutuu syvemmälle kalvoston uumeniin, jotta ne saataisiin laskostettua oikein. Vain oikein laskostunut proteiini on toimintakykyinen.

Proteiinien laskostumisessa yksi tärkeä vaihe on rikkisiltojen muodostaminen. Sillat muodostuvat proteiinin kysteiini-aminohappojen välille tehden proteiinista tiukemman paketin. Entsyymi, joka muodostaa sillat, on nimeltään proteiinidisulfidi-isomeraasi (PDI).

PDI:n havaittiin osallistuvat proteiinien laskostamiseen jo yli 40 vuotta sitten. Siitä huolimatta entsyymin toiminnasta ei vielä tiedetä riittävästi. Proteiinin kolmiulotteista rakennetta ei esimerkiksi ole pystytty selvittämään.

Ihmissoluista on löydetty PDI:n lisäksi useita muita samankaltaisia entsyymejä. Toistaiseksi ei tiedetä, mikä on kunkin entsyymin tarkka tehtävä solussa valmistettujen proteiinien laskostamisessa. Voi olla mahdollista, että eri entsyymit toimivat eri kudoksissa tai niillä on erilainen lähtömateriaali (substraatti). Tutkimuksessa pyrimme selvittämään näiden samankaltaisten rikkisiltoja muodostavien entsyymien toimintaa.

SOLUNSISÄISET SOLUELIMET: ER JA GOLGI

Miten proteiinien muokkaustehtaat toimivat?

Dosentti Sakari Kellokummun tutkimusryhmä

Kaikki monisoluiset eliöt rakentuvat soluista, joita esim. ihmisessä on arvioitu olevan yli 200 erilaista tyyppiä. Jokaisessa solussa on puolestaan useita erilaisia solunsisäisiä osastoja, soluelimiä, jotka ovat erilaistuneet vain tiettyyn tehtävään. Ne ovat kaikki kalvojen rajaamia rakenteita, mikä mahdollistaa optimaalisten olosuhteiden ylläpitämisen niissä kutakin tapahtumaa varten.

Soluelimistä esim. tuma on erikoistunut geeniperimän ylläpitoon ja DNA:n kahdentamiseen, mitokondriot energian tuottoon ja lysosomit aineiden hajotukseen ja niiden uusiokäyttöön. Solulimakalvosto ja Golgin laite (yläkuva) vastaavat puolestaan sekä solun omien rakenneaineiden – valkuaisaineiden ja rasvojen - että solusta eritettävien tuotteiden, esim. ruuansulatusentsyymien ja hormonien tuotannosta. Proteiinit ja lipidit valmistetaan solulima-kalvostossa, josta ne siirretään kalvorakkuloiden avulla Golgin laitteeseen. Golgin laitteessa proteiineja ja lipidejä muokataan mm. liittämällä niihin sokeriosia. Sokeriosilla puolestaan on tärkeä tehtävä mm. erilaisissa biologisissa tunnistustehtävissä. Toinen Golgin laitteen perustehtävistä on ohjata valmistetut tuotteet oikeaan paikkaan solussa. Se toimii siis eräänlaisena postituskeskuksena, jossa tuotteet tiivistetään, pakataan ja lähetetään eteenpäin.

Solulimakalvoston ja Golgin laitteen toiminnan häiriintyminen on tyypillistä eräissä sairaustiloissa. Esim. syöpäsoluissa todetaan poikkeavia sokerirakenteita (alakuva). Samoin syöpäsolujen taipumus erittää lysosomien entsyymejä solun ulkopuolelle liittyy Golgin laitteen toiminnan muutokseen näissä soluissa. Omissa tutkissamme pyrimme selvittämään ja ymmärtämään erityisesti Golgi laitteen rakentumista ja toimintaa molekyylitasolla sekä miksi niiden toiminta on häiriytynyt syöpä-soluissa. Keskeisenä tutkimuskohteena ovat proteiinien sokerirakenteet. Tutkimus-työssämme hyödynnetään erityisesti solu- ja molekyylibiologian menetelmiä.

BIOLASKENTA JA -INFORMATIIKKA

Tietokone apuna biologisen tiedon käsittelyssä

Tohtori André Jufferin tutkimusryhmä

Uusin biotieteellinen tutkimus painottuu solujen toiminnan ymmärtämiseen molekyylitasolla. Nykyisillä menetelmillä tuotetaan biologista tietoa suurella vauhdilla. Sen seulonta ja hallinta eivät onnistu ilman tietotekniikkaa. Tällaiseen tiedon käsittelyyn sekä biologisten järjestelmien yksityiskohtaiseen mallintamiseen tarvitaan usein järeitäkin laskennallisia ja tietoteknisiä työkaluja, jotka edesauttavat biologisen ymmärryksen kehittymistä.

Bioinformatiikka on biologisen ja lääketieteellisen tiedon tietokoneavusteista keräämistä ja käsittelyä. Laskennallinen biologia on taas algoritmisten menetelmien käyttöä biologisen aineiston analysoinnissa sekä biologisten ilmiöiden mallintamisessa (simuloinnissa).

Ryhmässämme kehitetään ja käytetään laskennallisia malleja monen kokoisille biologisille järjestelmille. Pienimmät järjestelmät voidaan mallintaa atomi atomilta, jolloin saadaan tietoa molekyylien rakenteesta, dynamiikasta ja toiminnasta. Osa tällaisesta järjestelmästä voidaan mallintaa vieläkin tarkemmin, kvanttikemian menetelmin. Käytettävissä olevien tietokoneiden laskentateho ei riitä näin tarkkaan yksityiskohtien huomioonottoon, jos järjestelmän käsittää liian monta molekyyliä, tai jos niiden koko on liian suuri. Suuria järjestelmiä voidaan kuitenkin mallintaa käyttämällä karkeampia kuvaustapoja molekyyleistä ja niiden välisistä vuorovaikutuksista. Vielä suurempien järjestelmien kohdalla jätetään molekyylien fysikaaliset vuorovaikutukset kokonaan mallintamatta, ja niiden väliset reaktiot suoritetaan simulaatiossa satunnaisesti, etukäteen annettujen todennäköisyyksien perusteella. Todella suurten järjestelmien mallinnuksessa ei yksittäisiä reaktioita voida edes käydä läpi, jolloin voidaan turvautua esim. tilastollisiin menetelmiin.

Proteiinit sitoutuvat valikoivasti toisiin molekyyleihin, joita kutsutaan ligandeiksi. Ligandi tarttuu proteiinin toimintakeskukseen ja saa näin proteiinin toimintakykyiseksi. Tällaiset proteiinien ja ligandien väliset reaktiot säätelevät lähes kaikkia solujen tapahtumia, ja ovatkin eräs päätutkimuskohteistamme. Olemme mm. pystyneet mallintamaan kehittämiemme tietokoneohjelmien avulla, kuinka erilaiset ligandit sitoutuvat proteiineihin ja miten proteiinit tarttuvat soluja ympäröivään kalvoon. Olemme myös rakentaneet laskennallisen mallin, jota voidaan käyttää proteiinien tuoton optimointiin. Lisäksi kehittelemme suurten makromolekyylisysteemien simuloimiseen tarvittavia menetelmiä.