Tsütotoksilised T-rakud

Tsütotoksilised T-rakud ehk CD8+ T-rakud ehk tsütolüütilised T-rakud ehk T-tappurrakud ehk T_c-rakud on T-lümfotsüütide alagruppi αβT kuuluvad T-rakud, mis on võimelised põhjustama kahjustatud somaatiliste rakkude apoptoosi ehk programmeeritud rakusurma, eritades rakku tsütotoksilisi graanuleid või Fas-ligandi raja kaudu. T-tappurrakud on peamiseks adaptiivseks immuunmehhanismiks patogeenide ja kasvajate vastu. Rakule seondumine toimub CD8-glükoproteiini ja T-raku retseptori ehk TCR-i vahendusel, mis paiknevad CD8+ T-rakkude pinnal. Tsütotoksiline T-rakk seondub peamise koesobivuskompleksi I klassi antigeenile, kusjuures seondumise afiinsuse määrab glükoproteiin. Tsütotoksilised T-rakud toodavad ka tsütokiine, mis aktiveerivad immuunsüsteemi.

CD8-retseptori α- ja β-ahel

Areng

T-rakkude küpsemine antigeeni esitava raku abil

T-rakkude areng saab alguse hematopoeetiliste tüvirakkude diferentseerumisest luuüdis. Luuüdis tekkinud rakud migreeruvad tüümusesse, kus leiab aset VDJ-rekombinatsioon ehk somaatiline rekombinatsioon. VDJ-rekombinatsioon võimaldab piiratud geenide kombineerimisega saada väga palju erinevaid retseptoreid, mis omakorda on oluline võimalikult suure hulga antigeenide äratundmiseks. Rakud, mis on jõudnud tüümusesse ehk tümotsüüdid jätkavad jagunemist. Esialgu puuduvad tümotsüütidel CD4- ja CD8-glükoproteiinid. Eristumata on ka γ-δ-T-rakud, mis osalevad soolestiku epiteelis mittevalguliste patogeenide äratundmises. Tüümuses toimub pidev uute retseptorite genereerimine, rekombineerides T-raku retseptorite α- ja β-ahela geene. T-raku retseptorite geenide variatsiooniline kombineerimine võimaldab toota T-rakke, mis seonduvad miljonitele antigeenidele. T-rakke, mis on omandanud nii CD4- kui ka CD8-koretseptorid ning stabiilse TCR-i, nimetatakse topeltpositiivseteks – need on nii CD4- kui ka CD8-positiivsed. Topeltpositiivseid T-rakke eksponeeritakse tüümuses autoantigeenidele ja selekteeritakse kahe mehhanismi abil:

• positiivne selektsioon, mille käigus selekteeritakse nõrgalt MHC-autoantigeeni-kompleksile seondunud tümotsüüdid, mis jätkavad diferentseerumist;
• negatiivne selektsioon, mille käigus liiga tugevasti MHC-autoantigeeni-kompleksile seondunud tümotsüüdid lähevad apoptoosi.

Positiivse selektsiooni eesmärk on elimineerida ebaefektiivsed ja negatiivse selektsiooni eesmärk on elimineerida autoimmuunsust põhjustavad T-rakud. Selektsiooni käigus läheb umbes 98% rakkudest apoptoosi. Selektsiooni läbinud tümotsüüdid diferentseeruvad üksikpositiivseteks. Neil T-rakkudel esineb ainult CD4- või CD8-retseptor ja vastavalt sellele kuuluvad nad CD4+ või CD8+ T-rakkude hulka. CD8+ T-rakud muutuvad aktiveerumisel tsütotoksilisteks T-rakkudeks. Koos fenotüüpse küpsusega saabub ka funktsionaalne küpsus ning CD8+ T-rakud on edaspidi võimelised indutseerima somaatiliste rakkude apoptoosi.

Aktivatsioon

Enne aktivatsiooni on tegemist naiivsete T-tappurrakkudega, mis pole veel puutunud kokku antigeeniga ja on seetõttu aktiveerumata. T_c-rakud on võimelised pärast aktiveerumist indutseerima apoptoosi. Aktivatsioon toimub mitme etapina ja kuigi kirjeldatud on ka alternatiivseid radu, on peamiseks aktivatsioonirajaks TCR-vahendatud seondumine MHC I klassi antigeenile. T-tappurrakkude retseptorid tunnevad ära vaid I klassi MHC-valgud. T-tappurrakkudel on CD8-valk, mis seondub kõikidel somaatilistel rakkudel esinevate I klassi MHC-valkudega. Rakkude proteasoomides lagundatud valgud paigutuvad MHC-valkudele ja kompleks transporditakse rakumembraani. T-rakkude retseptorid tunnevad ära peptiidi ja I klassi MHC valgu kompleksi raku pinnal, aga mitte kumbagi komponenti üksikuna. Kuna proteasoomides lagundatakse ka kehaomaseid valke, siis on MHC I koostises rakkude pinnal esindatud ka normaalse valkude uuenduse käigus tekkinud peptiidid.

Et tappurrakud ei hävitaks keha normaalseid rakke, hävitatakse T-rakkude arengu käigus organismis need T-rakkude populatsioonid, millel on retseptorid kehaomaste valkude suhtes. Kui T-tappurrakk seostub rakuga, mille pinnal on MHC I kompleksina eksponeeritud võõrvalgu fragmendid, vabanevad sellest tsütokiinid ja toimub tõenäoliselt apoptoos. Samal ajal T-rakud paljunevad ja tekivad aktiveeritud T-tappurrakkude kloonid.

Antigeeniga seondumisel osaleb ka glükoproteiin, millel on koretseptori roll, ja tema seondumise afiinsus määrab T-raku efektiivsuse. Antigeenile seondumine põhjustab T-tappurrakkude aktiveerumise. MHC I antigeeni esitamine on omane tuumaga rakkudele, seega saab aktiveeritud T_c indutseerida vaid tuumaga rakkude apoptoosi.

Seondumine

T-rakkude seondumist vahendab α-β-TCR. α-β-TCR on kaheahelaline glükoproteiin, mida leidub kõigi veres ringlevate T-rakkude pinnal. α-β-TCR tunneb ära MHC esitatud antigeene. Antigeenideks on enamasti lühikesed peptiidisegmendid, mida MHC esitab membraanil paikneva retseptori kaudu. MHC-retseptorile seonduvad T-rakud enamasti mõneks sekundiks, kuid võõrvalgu äratundmisel kuni mitmeks tunniks. CD4+ ehk T-abistajaraku roll piirdub enamasti immuunsüsteemi ergutamisega tsütokiinide vahendusel ja uute leukotsüütide valmimise kiirendamisega. CD8+ rakk seondub oma α-β-TCR ja koretseptoriga MHC I tetrameerile ning moodustunud TCR/MHC/CD8-kompleks määrab tsütotoksilise T-raku vastuse. Võõrpeptiidi äratundmine ja piisavalt tugev seondumine kutsub esile apoptoosi.

Toime

Aktiveerunud T-tappurrakud läbivad klonaalse ekspansiooni tsütokiini IL-2 vabanemise tõttu. IL-2 on T-rakkude kasvufaktor ja indutseerib nende jagunemist. Antigeeni ära tundvate T-rakkude arv kasvab ja uued antigeenile spetsialiseerunud T-rakud jätkavad nakatunud somaatiliste rakkude otsingut. Antigeen-positiivsed somaatilised rakud suunatakse apoptoosi.

Apoptoosi indutseerimine

Apoptoos Fas-ligandi vahendusel

Apoptoosi kutsuvad T-tappurrakud esile, seondudes pöördumatult nakatunud või kahjustatud somaatilisele rakule. Apoptoosile peab eelnema T_c aktivatsioon ja püsiv seondumine MHC-I-retseptorile. Seejärel vabanevad T_c vesiikulitest perforiinid ja tekitavad rakumembraani auke, mille kaudu saavad siseneda gransüümid. Gransüümid on seriinproteaasid, mis aktiveerivad kaspaase. Gransüüme hoiustab T_c rakk lüsosoomides aktiveerimata kujul. Gransüümid sisenevad perforiinide tekitatud avauste kaudu vesiikulitena, seejärel vabanevad lüsosoomist kaltsiumiioonide mõjul ja aktiveeruvad. Kaspaaside kaskaadi aktiveerumine viib lõpuks apoptoosini. Tsentrifuugitavas rakukultuuris toimub kaspaaside aktiveerumine viie minuti jooksul, kuid apoptoos ilmneb mõne tunni möödudes, kui tuum kondenseerub ja raku pinnalt hakkavad vabanema laguprodukte sisaldavad vesiikulid.

T_c-rakud kasutavad apoptoosi indutseerimiseks ka Fas-sõltuvat rada. Fas-raja korral toimub T-tappurrakus esmalt Fas-ligandide süntees. Fas-ligandid ehk FasL-id seonduvad Fas-molekulile raku pinnal. Seondumise tulemusena aktiveeritakse samuti kaspaaside kaskaad, mis viib apoptoosini.

Roll immuunvastuses

RNA-viirused

RNA-onkoviiruste loend:

• C-hepatiidi viirus ehk HCV;
• HTLV-1 ehk täiskasvanu ägeda leukeemia tekitaja (ingl human T-cell leukemia virus);
• HTLV-2 ehk retikuloendoteliaalse leukeemia tekitaja (ingl human T-cell lymphotropic virus);
• inimese immuunpuudulikkuse viirus (ingl human immunodefciency virus) ehk HIV;
• jt.

DNA-viirused

Lisaks mitmetele erinevatele viiruslikele komponentidele (näiteks viirusliku DNA insertsioonidena genoomis) on mitmed uuringud tõendanud ka teatud DNA-viiruste olemasolu hea- ja pahaloomuliste kasvajate kudedes.

Nende olemasolu (viirusliku DNA tuvastamine biopsiaproovides) ja vähitekke vahelised seosed pole veel selged. Hinnanguliselt võib 15% inimese vähijuhtumitest seostada viirustega.

DNA-onkoviiruste loend

• inimese papilloomiviirus (ingl human papillomavirus) ehk HPV;
• B-hepatiidi viirus (ingl hepatitis B virus) ehk HBV;
• Epsteini-Barri viirus (ingl Epstein-Barr virus) ehk EBV, ka HHV4;
• Kaposi sarkoomiga seostuv herpesviirus ehk inimese herpesviirus 8 (ingl Kaposi’s sarcoma-associated/human herpes virus 8) ehk HHV8 jpt.

B-hepatiit

B-hepatiidi viirus on viirus, mis põhjustab B-hepatiiti. B-hepatiit on üks levinumaid nakkushaigusi. Arvatakse, et maailmas on 400 miljonit kroonilist B-hepatiidi kandjat, kusjuures B-hepatiit on ligikaudu sada korda nakkavam kui HIV. HBV genoom esineb kaheahelalise DNA kujul ja replikatsioon toimub üle RNA vaheprodukti. HBV on mittetsütolüütiline ehk ei põhjusta peremeesraku lüüsumist. Sellele lisandub HBV võime oma replikatsiooni alla suruda ja olla seetõttu immuunsüsteemile peaaegu märkamatu. B-hepatiit ei ole maksarakkudele tsütotoksiline, küll aga on seda tsütotoksilised T-rakud. Ägeda nakkuse puhul on tsütotoksiliste T-rakkude toime tugev ja 95% täiskasvanuid terveneb spontaanselt ilma püsivate kahjustusteta, samas kui enamikul imikutest tekib persistentne infektsioon. Persistentse ehk kroonilise infektsiooni korral, kui organismi tsütotoksiliste T-rakkude aktiivsus on väike ja organism ei suuda B-hepatiidi viiruseosakestest vabaneda, võib kujuneda maksatsirroos või halvemal juhul maksavähk.

Immuunsüsteemi vastureaktsioon on CD4+ ja CD8+ T-rakkude süntees. CD4+ rakkudel on pigem CD8+ rakke hooldav ja aktiveeriv toime. CD4+ rakud on tuntud ka kui T-abistajarakud. Peamine immuunvastus oleneb CD8+ rakkudest, mis kutsuvad esile nakatunud rakkude apoptoosi, kuigi mõlemad T-rakkude grupid eritavad tsütokiine ja kemokiine, mis aktiveerivad täiendavalt immuunsüsteemi. Seeläbi suureneb nakkusohus olevate rakkude vastupanuvõime ja toimub virionide eemaldamine ringlusest. CD8+ rakkude indutseeritud apoptoos on peamine viis viirusest vabanemiseks, kuid sellega kaasneb ka maksa enda kahjustumine. Persistentse nakkuse korral toimub pidev CD8+ rakkude indutseeritud apoptoos ja kompensatsiooniks rakkude vähenemisele käivitub maksarakkude taastootmine.

Vaktsiin

Rohked uuringud keskenduvad adaptiivse immuunsüsteemi aktiveerimisele, eriti CD8+ rakkude abil, mis omavad keskset rolli vähi- ja viirusvastases võitluses. Eesmärgiks on luua sünteetilised T-rakud, millel oleks suurema afiinsusega retseptorid vähi, HIV, EBV ja HBV vastu. CD8+ rakkude baasil loodav vaktsiin on siiski teoreetiline, kuna kõik immuunsüsteemi mehhanismid pole veel teada.

B-lümfotsüüdid

B-lümfotsüüdid ehk B-rakud ehk B-lümfilibled (ladina lymphocytus B) on leukotsüütide hulka kuuluvad humoraalse immuunsuse (omandatud immuunsus) kaitserakud. Valmis B-lümfilible võib kogu eluaja mitteaktiivne olla.

Immuunsüsteemi rakud, mis valmistavad ründavatele patogeenidele (viirustele) antikehi. Need moodustavad mälurakke, mis jätavad sama patogeeni meelde, et tulevikus, kui sama patogeen uuesti organismi satub, hakataks kiiremini antikehi tootma

B-lümfotsüütide morfoloogia, küpsemine, funktsioonid ning toime võivad erinevates organismides erineda nii liikide kui ka indiviidide lõikes.

Inimesel

Inimestel valmivad B-rakkude eelastmed immunoloogiliselt luuüdis, looteeas ka maksas. B-rakud paljunevad lümfikoes ja koolitatakse tüümuses.

Funktsioonid

B-lümfotsüütide peamised funktsioonid on aktiveerida antigeeni toimel antikehi tootmaks plasmarakke organismi sattunud võõrkehade vastu. B-lümfotsüüdid muudetakse aktiivseks pärast seda kui antigeen seotakse B-raku pinnal immuunglobuliiniga ja talle toimivad T-abistajarakud.

Üks valminud plasmarakk valmistab ainult üht liiki antikehi. B-rakud arenevad normaalselt toimiva immuunsuse ja immuunsüsteemi korral, pärast antigeeniga kokkupuutumist mälurakkudeks.

B-rakud eritavad ka tsütokiine.

Hiljuti avastati B-rakkudel uus mahasurutud funktsioon.

B-rakke saab teistest lümfotsüütidest, nagu näiteks T-rakkudest ja loomulikest tappurrakkudest, eristada B-raku membraanil oleva proteiini järgi, mida nimetatakse ka B-raku retseptoriks (BCR). See spetsialiseerunud retseptorproteiin lubab B-rakul kinnituda spetsiifilisele antigeenile.

B-lümfotsüüdi areng

Välja arenemata B-rakud toodetakse enamikul imetajatel luuüdis. Eranditeks on küülikud, kelle B-rakud arenevad pimesooles (appendix-sacculus rotondus). Pärast B-rakkude jõudmist kindlasse staadiumi, liiguvad need ebaküpsed B-rakud sekundaarsesse lümfikoesse (näiteks 

põrn, lümfisõlmed, Peyeri naastud jne ). Sekundaarses lümfikoes olevaid B-rakke kutsutakse transitsionaalseteks e ülemineku staadiumis olevateks B-rakkudeks ja mõned nendest rakkudest diferentseeruvad edasi ja moodustavad lõplikult arenenud B-lümfotsüüdid.

B-rakkude areng toimub läbi mitme etapi. Iga etapp esindab muutust antikeha lookuste genoomis. Antikeha koosneb kahest identsest kergest ahelast (L) ja kahest identsest raskest ahelast (H) ja neid määravad geenid asuvad varieeruvas piirkonnas (V) ja konstantses piirkonnas (C). Raske ahela V-regioonis on kolm segmenti: V, D ja J, mis rekombineeruvad juhuslikult, mille tulemusena on igal B-rakul unikaalne antikeha domeen. Seda protsessi nimetatakse VDJ rekombinatsiooniks. Sarnased muutused toimuvad ka kerge ahela V-regioonis, aga seal on seotud ainult kaks segmenti: V ja J.

Kui B-rakk ebaõnnestub oma küpsemisprotsessi mingil etapil, siis see sureb läbi apoptoosi. Sel juhul kutsutakse seda klonaalseks deletsiooniks. B-rakke toodetakse järjepidevalt luuüdis. Kui raku pinnal olev B-raku retseptor tunneb ära mõne antigeeni organismis, siis B-rakk aktiveerub. Aktiveerudes hakkab ta eritama antikehamolekule, mis enne olid B-raku plasmamembraanis. Pärast aktivatsiooni hakkab rakk jagunema ja tekivad B-mälurakud, mis tunnevad ära samasugused antigeenid. See on osa adaptiivsest immuunsüsteemist, mis annab kiirema, parema ja võimsama immuunvastuse tulevikus, selle sama antigeeni rünnaku korral. Sellega on seletatav ka, miks me mõnda haigust elu jooksul ainult ühe korra põdema peame (näiteks tuulerõuged).

3D pilt B-lümfotsüüdist

Immuuntolerantsus

Nagu ka T-rakke, testitakse ebaküpseid B-rakke autoreaktiivsuse vastu enne, kui nad luuüdist väljuvad. Neid ebaküpseid B-rakke, mille B-raku retseptorid (BCR-id) seonduvad liiga tugevalt iseenda antigeenide külge, ei lasta edasi areneda. Kui mõni B-rakk on iseenda vastu suure reaktiivsusega, siis on tagajärjeks üks kolmest:

• Klonaalne deletsioon: selle raku eemaldamine, mis on iseenda vastu suure reaktiivsusega, tavaliselt läbi apoptoosi.
• Retseptori muutmine: B-raku retseptoritele, mis on iseenda B-raku suhtes reaktiivsed, antakse võimalus oma konformatsiooni muuta. Kui vähema autoreaktiivsusega retseptori loomine ebaõnnestub, siis toimub apoptoos.
• Klonaalne anergia

Funktsioonid

Inimkeha toodab iga päev miljoneid erinevat tüüpi B-rakke, mis ringlevad vere- ja lümfisüsteemis ja mis sooritavad immuunvaatlust. Nad ei tooda antikehi enne aktiveerumist, mis toimub juhul, kui B-rakk on "märganud" organismis olevat võõrkeha. Igal B-rakul on oma unikaalne retseptorproteiin (B-raku retseptor – BCR), mis seondub ühe kindla antigeeniga. BCR on membraaniseoseline immunoglobiin ning ka molekul, mis eristab B-rakke teistest lümfotsüüdi tüüpidest. See on ka peamine proteiin, mis tagab B-raku aktivatsiooni. Hetkel, mil B-rakk leiab oma samatüvelise antigeeni ja saab täiendavaid signaale abistajarakkudelt (T_h-rakkudelt), saab ta edasi diferentseeruda, kas plasmarakkudeks, mis eritavad antikehi, või mälurakkudeks, mille funktsioon on järgmisel korral ära tunda need samad antigeenid, kui need organismi satuvad. Tänu mälurakkudele tekib immuunvastus kiiremini ja efektiivsemalt.

Klonaalsus

B-rakud eksisteerivad kloonidena. Kõik B-rakud pärinevad kindlast rakust ning antikehad, mida nende rakkude diferentseerunud järeltulijad toodavad, suudavad ära tunda ja/või seonduda antigeeni samade spetsiifiliste komponentide külge, mis koosnevad makromolekulidest (epitoobid). Sellisel klonaalsusel on tähtsad tagajärjed, sest sellele tugineb immunogeneetiline mälu. Immuunvastuse laialdane mitmekesisus tuleneb sellest, et meil on kuni 10⁹ B-raku klooni ja kõik on spetsifitseeritud ära tundma teatud antigeene.

B-lümfotsüüdi tüübid

Plasmarakk

• • Plasmarakud (tuntud ka kui B-plasmarakud, plasmotsüüdid) on suured B-rakud, mis on paljastatud antigeenile ja mis toodavad ja eritavad suurel hulgal antikehi selle antigeeni vastu. Need aitavad kaasa mikroobide hävimisele sellega, et antikehad seonduvad antigeenide külge, mis muudavad need mikroobid märklaudadeks fagotsüütidele. Selle tulemusena mikroobid hävitatakse. Plasmarakke kutsutakse ka vahel antikeha vabrikuteks. Nende rakkude elektronmikrograaf näitab palju karedapinnalisi endoplasmaatilisi retiikulume, mis vastutavad antikehade sünteesi eest raku tsütoplasmas. Plasmarakud on lühikese elueaga rakud, mis läbivad apoptoosi, kui antigeenid, mis vallandasid immuunvastuse, on elimineeritud.
• • Mälurakud on tekkinud aktiveeritud B-rakkudest, mis on antigeenispetiifilised nendele antigeenidele, mis vallandasid primaarse immuunvastuse. Need rakud on võimelised elama kaua ning suudavad kiirelt tegutseda, kui organismi satub samasugune antigeen, millele nad spetsiifilised on.
• • B-1 rakud toodavad IgM-i klassi antikehi suuremates kogustes kui IgG klassi antikehi ning nende retseptorid näitavad polüspetsiifilisust, mis tähendab, et neil on nõrk vastastikune tõmme paljude erinevate antigeenide osas. Polüspetsiifilistel antigeenidel on sageli eelistus teiste antigeenide, enda antigeenide ja tavaliste bakteriaalsete polüsahhariidide vastu. B-1-rakke on lümfisõlmedes ja põrnas vähesel määral,neid leidub valdavalt rinnakelme ja kõhukelme õõnsustes.
• • B-2-rakud
• • Marginaaltsooni B-rakud
• • Follikulaarsed B-rakud
• • Regulatoorsed B-rakud

Antigeenide äratundmine B-lümfotsüütide abiga

B-rakkude ja T-rakkude suur vahe seisneb ka antigeenide äratundmise erinevuses. B-rakud tunnevad antigeeni ära oma natiivses ehk tavalises olekus. Nad tunnevad ära vabu antigeene veres või lümfides, kasutades BCR või membraaniseoselisi immunoglobuliine. Samas tunnevad T-rakud antigeenid ära töödeldud vormis, kui nad on peptiidifragmendid. Antigeeni esitleva raku MHC molekuli abiga esitletakse antigeen T-raku retseptorile.

B-lümfotsüütide aktivatsioon

B-lümfotsüütide aktivatsiooni toimumise mehhanism

B-raku aktivatsiooniks läheb vaja lisaks antigeeni juuresolekule ka teisi elemente. Aktivatsioon on kombinatsioon kiirest klonaalsest paljunemisest ja terminaalsest diferentseerumisest plasmarakkudeks. B-rakke on võimalik aktiveerida T-rakust sõltuval või mittesõltuval viisil.

B-lümfotsüüdid ja ajalugu

Teadusajakirja Nature Immunology 2006. aasta oktoobri väljaandes oli välja toodud, et mõnede selgroogsete (näiteks kalade ja kahepaiksete) B-rakud on võimelised fagotsütoosiks, mida seostatakse tavaliselt rakulise immuunsusega. Autorid postuleerivad, et need fagotsüütilised B-rakud esindavad kunagist koostööd makrofaagide ja lümfotsüütide vahel. B-rakud võivad olla arenenud makrofaagi-taolistest rakkudest ajal, mil arenes välja adaptiivne immuunsüsteem.

Termini päritolu

B-lümfotsüütide nimi tuleneb Fabriciuse paunakesest (ladina Bursa fabricii), mis on lindudel kloaagi lõpus olev väljasopistus, kus B-lümfotsüüdid arenevad ja kus nad algselt avastati. Imetajatel sellist organit pole, kuid neil pärinevad B-lümfotsüüdid luuüdi (inglise bone marrow), nii et täht "B" on ka siin asjakohane.

B-lümfotsüütide roll haiguslike seisundite patogeneesis

B-rakkude ebatüüpiline antikehade tootmine on tavaliselt seotud paljude autoimmuunhaigustega, näiteks reumatoidartriit, süsteemne erütematoosne luupus. B-rakud on ka altid pahaloomulisele transformatsioonile, neid seostatakse tänapäeval Hodgkini lümfoomi (large B-cell lymphoma) ja MALT-lümfoomiga ( MALT-süsteemi B-lümfotsüütidest algav pahaloomuline kasvaja).

Dentriit

---

Tüüpilise neuroni ehk närviraku ehitus

Dendriit Rakukeha (soom) Akson Rakutuum Ranvier' kitsend Aksoni lõpp Schwanni rakk Müeliintupp

Dendriit ehk oksisjätke on närvirakukeha jätke (üks või mitu), mis juhib impulsse rakukeha suunas.

Polüskleroos

Polüskleroos ehk hulgiskleroos ehk hulgikoldekõvastumus ehk multipleksskleroos (ladina keeles sclerosis multiplex; inglise keeles multiple sclerosis; lühend MS või SM) on peamiselt inimestel esinev krooniline, kogu elu kestev, peamiselt tuvastamata põhjustega, harvaesinev haigus, millele on iseloomulikud muutused kesknärvisüsteemi valgeaines.

Demüelisatsioon polüskleroosi korral. Värvunud CD68 kude näitab haiguskolde piirkonnas mitmeid makrofaage. Mõõtkava 1:100

Eestis põeb 2011. aasta seisuga sclerosis multiplex'i ligi 1500 inimest.

Etioloogia

Autoimmuunhaigusena

Arvatakse, et polüskleroosi kui autoimmuunhaiguse käigus hävitab autoimmuunne põletik närvirakkude ümber oleva müeliinkihi. Vahel võib esineda ka närvirakkude jätkete katkemine.

Autoimmuunsusega seostatakse lümfoid(-immuun)süsteemi homöostaasi häirumist ja nende rakkude tegevuse tulemusel tekkivaid koldeid pea- ja seljaajus.

Polüskleroos mõjutab pea- ja seljaaju närvirakkude võimet omavahel suhelda. Kommunikatsioon toimub elektriliste signaalide ehk aktsioonipotentsiaalide levimisel piki aksoneid, mis on kaetud erilise isoleeriva müeliinikihiga.

Polüskleroosi korral ei suuda organismi vastavad rakud eristada omi rakke võõrastest ja tekivad immuunreaktsioonid, mille tulemusel ründab organismi immuunsüsteem oma närvisüsteemi ja kahjustub müeliin. Polüskleroosi põdevate haigete organismis stimuleerivad leukotsüüdid (T-lümfotsüüdid, B-lümfotsüüdid ja makrofaagid jt) rünnakut närvirakke isoleeriva müeliinkesta vastu .

Patogeneesis mängivad olulist rolli mikrogliia ja T-rakud.

Müeliinkihi kahjustusel võib tulemuseks olla närviimpulsside liikumise aeglustumine või lakkamine, mis omakorda on närvisüsteemile laastava tagajärjega . Kahjustused tekivad mitmete väikeste kolletena pea- ja seljaaju valgeaines (valgeaine koosneb peamiselt müeliinist). Väliselt jätavad kolded mulje, nagu oleks tegemist tihenenud piirkondadega. Sellest tuleneb haiguse nimetus sclerosis multiplex – mitmesed tihenenud kolded .

Hormoonid ja hormoonidelaadset toimet avaldavad ained

Polüskleroos ja D-vitamiini vaegus

Uuritakse D-vitamiini ja/või selle vaeguse ning seotud geenide rolli haiguse tekkimisel ja progresseerumisel, kuna uuringutes on täheldatud, et seerumi D-vitamiini tase võib teatud haigetel näidata haiguse ägenemisega seonduvat.

Päriliku haigusena

Haiguse täpne etioloogia ei ole teada, aga arvatakse, et oluline on teatud pärilike ja keskkonnategurite koosmõju.

Polüskleroos ei ole pärilik haigus, kuid võrreldes tavapopulatsiooniga on polüskleroosiga inimeste lastel mõnevõrra suurem risk haigestuda. Uurimuste andmetel on polüskleroosihaige inimese perekonnaliikmete haigestumise risk järgmine:

• õel 4,4%
• vennal 3,2%
• lapsel 1,8%
• kui SM-i põevad mõlemad vanemad, suureneb risk järglasel ligikaudu 20%.

Assotsiatsiooniuuringutes on leitud ka kandidaatgeene, mida seostatakse sclerosis multiplexiga. Kuuendas kromosoomis paikneva leukotsüütide antigeense süsteemi (HLA geenikompleksi alleele DR15 ja DQ6) seostatakse suurenenud haigestumise riskiga (HLA-C554 ja HLA-DRB1 lookusel on kaitsev efekt). Uurijad ei saa siiski kogu haiguse teket seletada HLA süsteemi geneetiliste muutustega. Hiljuti avastati kahes Euroopa riigis (Saksamaa ja Prantsusmaa) SM-i populatsioonis kaks uut üksiku nukleotiidi polümorfismi (SNP) IL2RA geenis (rs12722489, rs2104286) ja üks SNP IL7RA geenis (rs6897932), mida uurijad seostavad haiguse tekkega .

Suitsetamine võib geneetilise soodumusega inimestel suurendada riski haigestuda polüskleroosi.

Viirused

Geneetilise soodumusega inimestel võivad SM-i põhjustada ka mitmed viirused. Kuigi nende täpne roll pole seni veel selge, ollakse seisukohal, et enamik SM-i patsiente on nakatunud Epsteini-Barri viirusega, lisaks seostatakse haigust veel ka Herpes simplex'i viiruse, punetise-, leetri- ja mumpsiviirusega.

Epidemioloogia

Haigus tabab tavaliselt noori inimesi ja on naistel kaks korda sagedasem kui meestel. Esinemissagedus on 2–150 inimesel 100 000 kohta. Eestis on vastav näitaja umbes 100 inimest 100 000 kohta.

Polüskleroosi on kõige sagedasem noori täiskasvanuid invaliidistav neuroloogiline haigus. Haiguse tekkeiga jääb tavaliselt 10. ja 60. eluaasta vahele. Kõige rohkem haigestub 20–30-aastasi inimesi. Eestis on umbes 1500 sclerosis multiplex'i diagnoosiga patsienti ja terves maailmas umbes 2 miljonit. Polüskleroosi haigestumise risk oleneb ka sellest, millisel laiuskraadil on isik elanud enne 15-aastaseks saamist – parasvöötme laiuskraadidel on haigestumus suurem. Riskirühmaks on naised ja sagedamini haigestuvad valgenahalised inimesed kui asiaadid ja mustanahalised.

Sümptomid

Sõltuvalt kohast, kus kahjustuskolded on tekkinud, võib inimesel esineda mitmesuguseid kaebusi.

Sümptomid:

• mööduv nägemishäire
• käte, jalgade nõrkus
• spastilisus (lihasjäikus)
• paresteesiad ("sipelgatetunne" kätes ja jalgades)
• ataksia (liigutuste kooskõlastuse ja tasakaalu säilitamise häire)
• kõõlusereflekside elavnemine
• Lhremitte’i sümptom (piki selga allapoole kulgev elektrilöögitaoline tunne, mis on seotud kaela painutamisega)
• kahelinägemine (topeltnägemine)
• nüstagmid (mõlema silmamuna tahtele allumatud sümmeetrilised ja rütmilised liigutused)
• treemor (lihasevärin eri kehapiirkondades)
• internukleaarne oftalmopleegia (silmaliigutajate lihaste halvatus)
• vertiigo (pearinglus)
• depressioon
• impotentsus (erektsioonihäire)
• soole- ja põietalitluse häired
• emotsionaalne labiilsus
• kognitiivsed häired

Füüsilise koormuse või kõrgenenud välistemperatuuri mõjul võivad teatud haigussümptomid süveneda ja seda nimetatakse Uhthoffi fenomeniks. Polüskleroosil on eri raskusastmetega haigusvorme. Umbes 80% juhtudest on tegemist nn tavalise vormiga, kus haigus kulgeb ägenemiste ja vaibumistega. Umbes 20% juhtudest on haigus primaarselt progresseeruva kuluga, mis on pahaloomuline ravile mittealluv vorm. Haigusnähud süvenevad kiiresti ja keskmiselt viie aasta pärast kujuneb invaliidsus. Pooltel patsientidel, kellel esineb ägenemiste ja remissioonidega kulg, areneb sekundaarselt progresseeruv vorm.

Sclerosis multiplex'i alatüübid

Haiguskulu järgi eristatakse nelja sclerosis multiplexi vormi:

• Ägenemiste ehk retsidiivide ja remissioonidega SM (remissioon on stabiilne seisund, kus ägenemise ajal tekkinud sümptomid on vähenenud või kadunud)

See on kõige sagedasem polüskleroosi vorm, mis esineb umbes 40% kõigist haigusjuhtudest. Ägenemiste ja remissioonidega SM-i vormile on iseloomulikud ägenemised, mis tekivad iseenesest ja mööduvad (täielikult või osaliselt) teatud aja jooksul, kuni seisund stabiliseerub. Selle vormi puhul ei esine SM-ile iseloomulike nähtude progresseerumist ehk sümptomid ei süvene ilma uute ägenemisteta.

• Sekundaarse progresseerumisega SM
  1. ägenemistega
  2. ägenemisteta

Kui ägenemiste ja remissioonidega SM-i haiged ei saa ravi, areneb 10 aasta jooksul ligikaudu pooltel nendest välja sekundaarselt progresseeruv polüskleroosi vorm. Seda tõenäosust saab märgatavalt vähendada, kui alustada võimalikult kiiresti ravi (preparaatidega, mis modifitseerivad haiguse kulgu, nn immunomodulleerivat ravi) pärast diagnoosi panekut. Osal sekundaarselt progresseeruva SM-iga haigetel võivad tekkida uued ägenemised, osal aga mitte. Sekundaarse progresseerumise korral süvenevad (pikkamööda) haigussümptomid ja töövõimetuse aste.

• Primaarselt progresseeruv SM

Primaarselt progresseeruva polüskleroosi haigetele on haiguse diagnoosi panekust alates omane sümptomite pidev järkjärguline süvenemine ilma uute retsidiivideta. See on haigusvorm, kus ei esine selgete ägenemiste ega paranemistega perioode. See haigusvorm esineb kõige sagedamini inimestel vanuses 40 aastat ja vanemad (harvadel juhtudel haigestuvad sellesse SM-i vormi ka nooremad inimesed). Erinevalt teistest SM-i vormidest esineb progresseeruvat vormi naistel ja meestel võrdselt. Haiguse esmasteks tundemärkideks on kõnnakuhäired, mis raskendavad oluliselt liikumist.

Diagnoos ja ravi

Sclerosis multiplex'i diagnoos, mis tuleks vormistada ladinakeelsena, on kliiniline ja radioloogiline. Eristatakse kliiniliselt kindlat ja laboratoorselt kindlalt, kliiniliselt võimalikku ning laboratoorselt võimalikku diagnoosi, mille aluseks on kindlad diagnoosi kriteeriumid.

SM diagnoosimiseks peab olema tõestatud magnetresonantstomograafilisel ülesvõttel ajust (magnetresonantstomograafia MRT-s) dissemineeritud kahjustus ajas ja ruumis, kliinilised sümptomid peavad diagnoosimiseks kestma vähemalt 24 tundi ning kahe haigusataki (ägenemise) vahele peab jääma vähemalt 1 kuu.

Lisaks kliinilistele sümptomitele on väga olulised ka radioloogilised ja laboratoorsed andmed: pea- ja seljaaju MRT uuring ning oligoklonaalse gammapaatia määramine liikvorist. KT ehk röntgenkompuutertomograafia on peale MRT teine tänapäevane piltdiagnostikameetod. Kuid diagnoosimisel on see kasutatav ainult üksikutel juhtudel ja pigem diferentsiaaldiagnostilistel eesmärkidel teiste haiguste välistamiseks, samuti juhul, kui MRT-d pole võimalik teha (vastunäidustused MRT-ks).

Polüskleroosi ei ole võimalik tänapäeval olemasoleva raviga välja ravida. On olemas ravimite grupid – beetainterferoonid (tsütokiinid) ja kopaksoon, mis vähendavad ägenemiste arvu 1/3 võrra. Vahel kasutatakse ka keemiaravipreparaate, kuid seda otsustatakse alati individuaalselt, sõltuvalt haiguse kulust ja vormist. Üldisteks ravipõhimõteteks on hoiduda liigsest füüsilisest koormusest ja kuumusest. Kuum ilm ja palavik võivad esile kutsuda närvijuhtivuse aeglustumist ning raskendada sümptomeid.

Ajalugu

Sclerosis multiplex on üks paljudest haigustest, mis eksisteeris kaua enne omale nime saamist. Arstid usuvad, et juba keskajast pärinevad kirjutised teatud sümptomitest, mis viitavad SM-le. Üks esimesi teadaolevaid polüskleroosi põdevaid patsiente oli Hollandist pärit naine Lidwina, kes suri 1433. aastal. Pariisi Ülikooli professor, dr Jean-Martin Charcot, keda kutsutakse ka "neuroloogia isaks", oli esimene, kes kirjeldas sclerosis multiplexi kui haigust. Tema ühel naissoost patsiendil esines ebaharilik sümptomite kombinatsioon. Ühestki dr Jean-Martin Charcot' kasutatud ravimeetodist polnud kasu. Pärast patsiendi surma lahkas ta naise aju ning avastas ajus haiguskolded. Ta nimetas need sclerose en plaques'iks. Müeliin avastati peagi pärast seda, kuid tema olulisus haiguse tekkes jäi veel kauaks teadmata. Haiguse kulgu mõjutavad ravimid võeti kliinilises praktikas kasutusele alles 1990. aastate keskel

Raku potents

Raku potents on raku võime diferentseeruda erinevateks rakutüüpideks. Mida rohkemateks rakutüüpideks on teatud rakk võimeline arenema, seda kõrgem on raku potents.

Raku potentsi on ka kirjeldatud kui geeni aktivatsiooni potentsiaali rakus, mis on katkematu jada alates totipotentsusega, mis märgistab kõrgeima diferentseerumise potentsiaaliga rakku, jätkudes pluripotentsuse, multipotentsuse, oligopotentsuse ja lõppedes unipotentsusega. Sõna "potents" tuleb ladinakeelsest terminist potens, mis tähendab 'võimu omav'.

Totipotentsus

 Totipotentsus on raku võime jaguneda ja luua kõiki liigile omaseid raku tüüpe, näiteks spoorid ja sügoodid on totipotentsed. Raku potentsuse spektris on totipotentne rakk suurima diferentseerumise potentsiaaliga. Eesliide "toti" tuleb ladinakeelsest sõnast totus, mis tähendab 'kõike' või 'täielikku'. Täielikult diferentseerunud rakud on võimelised võtma taas totipotentset vormi. Selline muutus totipotentseks on keeruline protsess, mida veel ei mõisteta täielikult ja mida veel uuritakse. 2011. aastal tehtud teaduslik uuring näitab, et rakud on suutelised diferentseeruma mitte täielikult totipotentseteks rakkudeks, vaid hoopis keeruliseks rakuliseks variatsiooniks totipotentsusest. Inimese arengu mudeliga saab edukalt kirjeldada, kuidas tekivad totipotentsed rakud. Inimese areng algab, kui seemnerakk viljastab munaraku ja tekkinud viljastatud munarakk moodustab üksiku totipotentse raku ehk sügoodi. Esimestel tundidel pärast viljastamist jaguneb sügoot mitmeks identseks totipotentseks rakuks, mis hiljem on võimelised arenema osaks ühest kolmest inimese lootelehest (ektoderm, endoderm ja mesoderm) või platsenta erinevateks rakkudeks. Jõudes 16 raku staadiumisse, diferentseeruvad moorula totipotentsed rakud ümber rakkudeks, mis lõpuks moodustavad kas blastotsüsti sisemise raku kogu või välimise tropoblasti. Umbes neli päeva pärast viljastumist ja pärast mitut raku jagunemise tsüklit hakkavad need totipotentsed rakud spetsialiseeruma. Sisemine raku kogum, mis on embrüonaalsete tüvirakkude allikaks, muutub pluripotentseks. Uuringud Caenorhabditis elegans'iga viitavad sellele, et totipotentsuse säilitamisel mängivad olulist rolli mitmed mehhanismid, ka näiteks RNA regulatsioon, liigi eri arengu etappides. Uuringud, mis on läbi viidud sebrakaladel ja imetajatel, viitavad lisaks miRNA ja RNA siduvate valkude koosmõju tähtsusele rakkude arenguliste erinevuste määramisel. 2013. aasta septembris suutis Hispaania riikliku vähiuuringukeskuse üks uurimisgrupp esmakordselt panna täiskasvanud hiire rakud taanduma embrüonaalsete tüvirakkude tasemele ja seeläbi saavutasid rakud totipotentsuse.

Pluripotentsus

A: Inimese embrüonaalsed tüvirakud. B: Närvirakud

Rakubioloogias tähendab pluripotentsus (ladinakeelsest sõnast plurimus, mis tähendab väga palju, ja potens, mis tähendab võimu omama) raku võimet diferentseeruda osaks ühest kolmest lootelehest: endoderm (moodustab mao sisekatte, seedetrakti ja kopsud), mesoderm (moodustab lihased, luud, vere ja urogenitaalsüsteemi) või ektoderm (moodustab epidermaalkoed ja närvisüsteemi). Raku pluripotentsus on pidev olek, mis algab täielikult pluripotentsete rakkudega, mis on võimelised diferentseeruma kõigiks embrüo rakkudeks, nagu näiteks embrüonaalsed tüvirakud ja indutseeritud pluripotentsed rakud, lõppedes mittetäielikult või osaliselt pluripotentsete rakkudega, mis suudavad muutuda küll kõigi kolme lootelehe rakkudeks, kuid millel ei esine kõiki teisi pluripotentsete rakkude tunnuseid.

Indutseeritud pluripotentsus

Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud (sageli lühendatud iPSC ingliskeelsest induced pluripotent stem cells) on pluripotentsete rakkude tüüp, mis on saadud mitte pluripotentsete rakkude, vaid täiskasvanud somaatiliste rakkude, geenide ja transkriptsioonifaktorite ekspressiooni mõjutades. Mõjutatavad transkriptsioonifaktorid mängivad olulist rolli raku diferentseerituse määramisel. Selline täiskasvanud raku pluripotentsuse taastamine näitab ka, et täiskasvanud somaatilistes rakkudes on olemas sama geneetiline informatsioon, mis on olemas varajastes embrüonaalsetes rakkudes. Rakkude pluripotentsuse indutseerimiseks kasutati 2006. aastal hiire fibroblaste ja nelja transkriptsioonifaktorit, milleks olid: Oct4, Sox2, Klf4 ja c-Myc. Selle tehnoloogia väljatöötamise eest, mida kutsutakse raku reprogrammeerimiseks, said Shinya Yamanaka ja John Gurdon Nobeli auhinna füsioloogias ja arstiteaduses. Aastal 2007 suudeti luua inimese indutseeritud pluripotentseid rakke, kasutades inimese naha fibroblaste ja sarnast metoodikat, nagu kasutati aasta varem hiirte rakkude indutseerimisel. Sellised indutseeritud pluripotentsed rakud on omadustelt sarnased embrüonaalsetele tüvirakkudele, kuid ei vaja embrüote kasutamist. Indutseeritud tüvirakud on embrüonaalsete tüvirakkudega sarnase pluripotentsuse, morfoloogia, eneseuuendus võimega (raku võime jaguneda ja paljuneda lõputult) ja geeni ekspressiooniga. Ka epigeneetilisi faktoreid peetakse oluliseks somaatiliste rakkude reprogrammeerimisel. On välja käidud teooria, et teatud epigeneetilised faktorid võivad eemaldada algsed somaatilised epigeneetilised markerid, et siis luua uued epigeneetilised markerid, mis on oluline pluripotentsuse saavutamisel. Indutseeritud pluripotentsetes tüvirakkudes on ka kromatiin erilise struktuuriga, mis sarnaneb embrüonaalsete tüvirakkude omaga selle poolest, et kromatiin on vähem kokku pakitud ja seega kergemini ligipääsetav. Indutseeritud pluripotentsete tüvirakkude loomisel on muutused ka eukromatiinis tavalised, mis langevad kokku embrüonaalsete tüvirakkude eukromatiini struktuuriga. Tänu indutseeritud pluripotentsete rakkude sarnasusele embrüonaalsete tüvirakkudega on indutseeritud pluripotentsed tüvirakud suureks huvialaks meditsiinilistel uuringutel. Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud võiksid olla lahenduseks eetilistele probleemidele, mis kaasnevad embrüonaalsete tüvirakkude kasutamisel. Kahjuks on leitud, et indutseeritud pluripotentsiaalsed rakud võivad osutuda tumorigeenseks ja nendega töötamisel on veel rohkeid probleeme.

Multipotentsus

Multipotentsed rakud on võimelised diferentseeruma erinevateks, kuid kindlalt piiritletud rakutüüpideks. Näiteks vereloome ehk hematopoeetilised rakud on multipotentsed ja võivad areneda erinevateks vererakkudeks, nagu näiteks lümfotsüütideks, monotsüütideks, neutrofiilideks jt, kuid seejuures ei ole võimelised moodustama luu- või närvirakke ega teisi mittevererakke. Uued uuringud multipotentsete rakkudega vihjavad sellele, et multipotentsed rakud võivad siiski olla võimelised muutuma ka teisteks rakutüüpideks. Ühel juhul on suudetud muuta fibroblastid töötavateks neuroniteks. Teisel juhul on õnnestunud muuta inimese nabaväädi rakud inimese närvirakkudeks. Uuringud keskenduvad ka multipotentsete rakkude muutmisele pluripotentseteks rakkudeks. Multipotentseid rakke leidub paljudes, kuid mitte kõigis inimese koe tüüpides. Multipotentseid rakke on leitud rasvkoes, südamelihase rakkude hulgast, luuüdis, mesenhümaalsetes strooma rakkudes (looteline sidekude, mis asub näiteks kolmandas purihambas). Just mesenhümaalsed stroomarakud võivad osutuda heaks ja kindlaks tüvirakkude allikaks, kuna purihammaste kogumine vanuses 8–10, enne jäävhammaste teket, on võrdlemisi lihtne. Mesenhümaalsed stromaalrakud on võimelised diferentseeruma osteoblastideks, kondrotsüütideks ja adipotsüütideks.

Oligopotentsus

Oligopotentsus on raku potentsusaste, mille juures on rakk võimeline diferentseeruma paariks erinevaks rakutüübiks. Näiteks oligopotentsetest tüvirakkudest sobivad hästi lümfoidsed ja müeloidsed tüvirakud.Lümfoidsed (immuunsüsteemi) tüvirakud võivad diferentseeruda ja luua erinevaid vererakke, nagu B-lümfotsüüdid ja T-lümfotsüüdid, kuid ei suuda diferentseeruda teisteks vererakkudeks, nagu erütrotsüüdid ehk punalibled.

Unipotentsus

Rakubioloogias mõistetakse unipotentsust kui raku võimet diferentseeruda vaid üheks rakutüübiks. Seni ei ole kindel, kas tõeliselt unipotentseid rakke eksisteerib. Hepatoblastid, mis võivad diferentseeruda hepatotsüüdideks (moodustavad suure osa maksast) või kolangiotsüütideks (sapijuha epiteeli rakud), on bipotentsed. Lähedane sünonüüm unipotentsele rakule on eellasrakk.

Mitokondrid

Mitokondrid (varasemas eesti keeles ka mitokondrion; ka kondriosoom; kreeka keelest μίτος mitos, 'niit' + χονδρίον chondrion, 'terake') on raku energiat tootvad organellid. Rakubioloogias nimetatakse mitokondriks suurt rakusisest organelli, mis on ümbritsetud kahe membraaniga. Mitokondrites viiakse lõpule glükoosi lagundamine ja sünteesitakse makroergilisi ühendeid (ATP). Nad on nähtavad valgusmikroskoobis. Mitokondrite olemasolu rakkudes selgus 19. sajandil, rakust eraldamine osutus võimalikuks 20. sajandil.

Mitokonder elektronmikroskoobis nähtuna

Mitokondrid on silindrikujulised organellid diameetriga 0,5–1 µm, sarnanedes bakteritega, ning on 1–10 µm pikad. Eukarüootses rakus võib mitokondrite arv suuresti varieeruda. Näiteks maksa ja lihasrakkudes võib neid olla üle 1000. Vere punalibledes aga mitokondreid pole. Mitokondrite arv rakus varieerub ka vastavalt organismile ja koele ning need organellid võtavad enda alla mahuka osa raku tsütoplasma ruumalast. Nad on väga liikuvad ja plastilised organellid. Liikudes tsütoplasmas, on nad tihti seondunud mikrotuubulitega. Mitokondrites viiakse suhkrute metabolism lõpuni, püruvaat imporditakse mitokondrisse ja oksüdeeritakse hapniku abil süsihappegaasiks ja veeks. See võimaldab rakul toota 15 korda rohkem ATP-d, kui võimaldaks vaid glükolüüs. Ilma mitokondrita peaks eukarüootse raku ATP süntees sõltuma ainult anaeroobsest glükolüüsist.

Kahe membraani tõttu on mitokondrites 2 erinevat ruumi: välismembraan ja sisemembraan loovad membraanidevahelise ruumi ja maatriksi. Mitokonder sisaldab oma mitokondriaalset DNA-d ning ribosoome. Arvatakse, et energiat tootvad organellid, nii mitokondrid kui ka kloroplastid, arenesid endosümbioosi teel. Endosümbioosi teooria väidab, et prokarüoot "neelas alla" algelise eukarüootse raku ning omavahel arendati sümbioosne suhe. See hüpotees seletab, kuidas on võimalik mitokondril sisaldada oma RNA-d (mis antakse edasi ainult ema-liini pidi) ja ribosoome.

Mitokondri struktuur

Mitokondri struktuur: 1-sisemembraan; 2-välismembraan; 3-krista, mis on üks osa membraanidevahelisest ruumist; 4-maatriks

Mitokondri mudel

Mitokonder koosneb kahest membraanist, mille vahele jääb membraanidevaheline ruum. Sisemembraaniga ümbritsetud piirkonda nimetatakse maatriksiks. Kõik need neli osa: välismembraan, sisemembraan, membraanidevaheline ruum ja maatriks sisaldavad ainulaadset valkude kogumikku. Kuigi mitokondrites on ka oma ringikujuline DNA, siiski kodeeritakse enamik neist valkudest rakutuumas ja imporditakse mitokondrisse läbi tsütoplasma spetsiaalsete translokaaside abil, milleks välismembraani jaoks kasutatakse TOM-i (eellasvalgu välismembraanis asuv translokaas) ja sisemembraani jaoks TIM-i (eellasvalgu sisemembraanis asuv translokaas) .

Välismembraan

Mitokondri välismembraan koosneb lipiididest ja valkudest suhtes 1:1. Sisaldab mitu poriini molekuli, mis on multimeerne transpordivalk. Poriin moodustab veekanaleid läbi lipiidse kaksikkihi välismembraanis. Kanal moodustab sõela, mis on läbitav kõigile molekulidele suuruses 5000 daltonit või vähem. Sellest suuremad molekulid läbivad välismembraani ainult valgu N-terminaalses otsas paikneva signaaljärjestuse ja translokaasi seondumise abil.

Sisemembraan

Sisemembraani lipiidne kaksikkiht koosneb 20% lipiididest ja 80% valkudest. Sisaldab suures hulgas kardiolipiidi, mis teeb temast üsna läbimatu membraani, lisaks puuduvad selles poriinid. Sisemembraan sisaldab transportvalke, mis teevad selle valikuliselt läbitavaks väikestele molekulidele, mis metaboliseeritakse mitmete maatriksi, rakuhingamises osalevate ensüümide abil. Sisemembraani pinda suurendavad väljasopistused (või ka sissesopistused siseruumi maatriksi poole), mida nimetatakse kristadeks. Kristade membraanid sisaldavad valke, millel on kolm funktsiooni: oksüdatsioonireaktsioonide läbiviimine elektronide transpordi ahelas, ATP süntaasi olemasolu ning metaboliitide transport sisemembraani ja maatriksi vahel. Läbi ATP süntaasi liiguvad väljapumbatud prootonid tsütosoolist maatriksisse osalemaks mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Prootonite elektrokeemiline gradient, mis paneb tööle ATP süntaasi, tekib sisemembraanil. Membraan on läbimatu ioonidele ja enamikule väikestele laetud molekulidele. Vaata ka artiklit oksüdatiivne fosforüülumine.

Membraanidevaheline ruum

Membraanidevaheline ruum on välis- ja sisemembraani vahel olev piirkond, sisaldades mitmeid ensüüme, mis kasutavad ATP-d. Erinevalt sisemembraanist on välismembraan läbitav ioonidele ja väikestele molekulidele, seega on selle ala ensüümide sisaldus sarnane tsütosooliga.

Mitokondri maatriks

Maatriks on ruum, mis on ümbritsetud mitokondri sisemembraaniga. Maatriksis toimub ATP süntees sisemembraanis lokaliseeruva ATP süntaasi abil. Maatriks sisaldab segu sadadest ensüümidest, kaasa arvatud need, mis on vajalikud püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsiooniks ning tsitraaditsükliks. Maatriksis sisalduvad ka mitu identset koopiat mitokondriaalsest DNA genoomist, mitokondri ribosoomid, tRNAd ja mitmed ensüümid mitokondri geenide ekspressiooniks.

Mitokondri funktsioonid

Mitokondri kõige üldisemaks ja esmasemaks funktsiooniks on energia tootmine. Metabolismireaktsioonidest olulisemad on

1. mitokondri maatriksis toimuv püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsioon süsihappegaasini, millega kaasneb NADH ja FADH₂ teke;
2. elektronide transport NADPH-lt ja FADH₂-lt hapnikule, mis toimub mitokondrite sisemembraanis ja millega kaasneb prootonite kontsentratsiooni erinevuse teke kahel pool mitokondri sisemembraani (prootonite arv suureneb välis- ja sisemembraani vahelises alas, tekitades gradiendi matriksis olevate vesinikioonidega);
3. ATP süntees, mis toimub mitokondrite sisemembraanis paikneva ATP süntaasi vahendusel prootonite kontsentratsiooni gradiendi ärakasutamisel. Ka püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks asub mitokondri maatriksis. Lisaks energia tootmisele säilitavad mitokondrid kaltsiumi, osalevad rakkudevahelises signalisatsioonis, toodavad soojust, osalevad raku kasvamises, kuid samas ka raku kärbumise, nekroosi ja loomuliku, programmeeritud surma apoptoosi vallandamises.

Püruvaadi dehüdrogenaasikompleks ja tsitraaditsükkel

Mitokonder saab kasutada kütusena nii püruvaati kui rasvhappeid. Mitokondrisse transporditud püruvaat võib kasutada ensüümidena nii püruvaadi karboksülaasi (glükogeoneetilises rajas) kui ka püruvaadi dehüdrogenaasi (esimene ensüüm püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksist). Püruvaat või rasvhapped teisendatakse atsetüül-CoA-ks, mis on väga oluline vaheühend metabolismis ning tsitraaditsükli substaat. Järgnevalt oksüdeeritakse atsetüülirühmad maatriksis tsitraaditsükli abil, mis teisendab süsinikuaatomid süsihappegaasiks. Süsihappegaas seejärel eraldub. Oksüdatsioon genereerib elektrone, mis saavad edasi kantud NADH ja FADH₂ abil. Need elektronid transporditakse mitokondri sisemembraani, kus nad sisenevad mitokondriaalsesse elektronide transpordi ahelasse. Tekkinud redutseeritud koensüümid NADH ja FADH₂ kasutatakse ATP sünteesiks oksüdatiivse fosforüleerimise protsessis.

Rasvhapete oksüdatsioon

Rasvhapete oksüdatsiooni põhirada on β-oksüdatsioon. Nimetus tuleneb substraadiks kasutatava rasvhappe aktiivvormi β-süsiniku kasutamisest selles protsessis. Kuna rasvhappe aktiivvorm (atsüül-CoA) ei läbi mitokondri sisemembraani iseseisvalt, transporditakse atsüülijääk karnitiini osalusel mitokondritesse. Tekib ühend rasvhappeatsüül-CoA. See oksüdeerub astmeliselt. Iga astmega eraldub rasvhappe ahelast kahesüsinikuline aktiivne atsetüülijääk, st ühe astmega lüheneb rasvhappeahel kahe süsiniku võrra. Samuti tekivad iga astme läbimisel koensüümid NADH ja FADH₂. Iga β-oksüdatsiooniring toodab kuni 15 ATP molekuli koostöös hingamisahelaga. Reaktsioon toimub seni, kuni kogu rasvhappeatsüül-CoA on lagunenud atsetüül-CoA molekulideks. Atsetüül-CoA molekulid lülituvad tsitraaditsüklisse ja oksüdeeruvad süsihappegaasini. Tekkivad NADH ja FADH₂ oksüdeeruvad mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Iga NADH oksüdeerumine annab kümme prootonit ja iga FADH₂ oksüdeerumine kuus prootonit maatriksist kahe membraani vahelisse piirkonda. Rasvhapete oksüdatsioon on maksarakkude põhiline ATP allikas. Enamikus teistes rakkudes toimub see ilma ATP sünteesita peroksüsoomides.

Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel ehk hingamisahel

Mitokondriaalse elektronide transpordi ahela e hingamisahela peamine funktsioon on ATP tootmine. Hingamisahelate hulk organismides ja erinevates rakkudes võib erineda, nii võib maksaraku ühes mitokondris olla toimida üheaegselt palju hingamisahelaid. Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis ning tsitraaditsüklis moodustunud NADH ja FADH₂ annavad prootonid ja elektronid ära hingamisahelale. Ülekanne toimub redokspaaride (elektronide aktseptor/elektronide doonor ehk iga ülekandja on vaheldumisi oksüdeerunud ja redutseerunud vormis) vahel, mida saab iseloomustada redokspotentsiaali abil. Elektronid liiguvad negatiivsema redokspotentsiaaliga ühendilt positiivsema redokspotentsiaaliga ühendile. NADH ja FADH₂ on kõrge negatiivse redokspotentsiaaliga, elektronid liiguvad nendelt positiivsena redokspotentsiaaliga ühenditele. Hingamisahel algab oksüdeeritavalt ühendilt vesinikuaatomite äravõtmisega ning lõpeb elektronide ja prootonite astmelise ülekandega õhuhapnikule, kokkuvõttes tekib vesi. Lisaks koensüümidele NADH ja FADH₂ on hingamisahelas olulised ka koensüüm Q ning raud-väävel tsentrid. Mitokondri sisemembraani kristades asuvad kindlas järjestuses funktsionaalsed hingamisahela kompleksid, mida nimetatakse kompleks I, II, III ja IV. Elektronide pumpamine maatriksist membraanidevahelisse ruumi toimub kõigis kompleksides välja arvatud kompleks II, kuna tema redokspotentsiaali muut pole piisav ATP sünteesiks. Iga kahe NADH elektroni ülekandega hapnikule sünteesitakse kuni kolm ATP, FADH₂ võimaldab vastavalt toota kaks ATP-d. Elektronide transport hingamisahelas on eksergooniline protsess, kuna NADH ja FADH₂ on väga head elektronide doonorid ning hapnik on väga hea elektronide aktseptor. Tekkiva vaba energia suur muut teisendatakse ATP sünteesimiseks läbi protsessi, mida nimetatakse oksüdatiivseks fosforüleerimiseks. Nimelt põhjustab prootonite transport mitokondri maatriksist membraanidevahelisse ruumi sisemembraani välispinna positiivse laadumise, maatriksipoolne pind laadub aga negatiivselt. Selle tõttu tekib prootonite elektrokeemiline gradient mitokondri sisemembraanil. Gradient on jõuks, mis võimaldab ATP süntaasil toota ATP-d.

Mitokondri valgud ja genoom

Inimese mtDNA

Tuumas asuv DNA kodeerib suure osa mitokondri geene. Nendest kodeeritud valgud sünteesitakse tsütosoolsetel ribosoomidel ja transporditakse mitokondrisse. Mitokondri enda kodeeritud vähesed valgud asuvad põhiliselt mitokondrite sisemembraanil. Valkude transpordil mitokondrisse kasutatakse lisaks ATP lagundamise energiale ka elektrokeemilise gradiendi energiat. Mitokondri maatriksisse liikumise signaal on valkude N-terminaalse otsa 15–30 aminohappe pikkune signaaljärjestus. Valgu liikumine läbi kahe membraani vajab multimeerseid valgukomplekse TIM ja TOM. Mitokondriaalne DNA on endosümbioosi tõttu sarnane prokarüootidega, struktuur on rõngasjas. Ühes mitokondris võib esineda kuni 15 mtDNA koopiat. Mitokondrite genoom pärandub emaliini pidi, muteerub umbes kümme korda kiiremini kui rakutuumas paiknev DNA ning mitokondrile on omane rekombinatsiooni puudumine. Need omadused koostöös mtDNA mutatsioonidega võimaldavad koostada fülogeneetilisi puid ning analüüsida inimpopulatsioonide rännet ja ajalugu. Inimese mitokondriaalne DNA on üks väiksemaid, pikkusega 16 569 aluspaari, kodeerib kahte rRNA ja 22 tRNA tüüpi. Mitokondritel on unikaalne genoom, mis inimese puhul kodeerib 37 geeniprodukti.