Valgusüntees prokarüootides

Valgusüntees ehk translatsioon prokarüootides on protsess, mille käigus sünteesitakse eeltuumsetes organismides aminohapetest koosnevaid peptiidahelaid ehk valke. See toimub geneetilise koodi põhjal. Laiemas tähenduses võib valgusüntees hõlmata ka translatsioonile eelnevaid ja järgnevaid protsesse, nagu transkriptsiooni ja valkude translatsioonijärgset modifitseerimist. Prokarüootides toimub valgusüntees tsütoplasmas ja eukarüootide puhul toimub see endoplasmaatilises retiikulumis (ER). Eukarüootides toimuvat valgusünteesi veel uuritakse ja kõik selle detailsed mehhanismid ei ole teada, kuid prokarüootide valgusünteesi mõistetakse paremini.

Valgusüntees ribosoomides. Small subunit – väike alaühik; large subunit – suur alaühik; amino acids – aminohapped; P-site – P-sait; A-site – A-sait; newly born protein – sünteesitud valk.

Prokarüootide valgusüntees toimub ribosoomides, mis koosnevad rRNA-st ja valkudest (r-valgud). Kogu sünteesis osaleb 3 erinevat RNA-d:

 1) mRNA (messenger RNA) ehk info-RNA – valkude sünteesiks vajaminevat informatsiooni kandev üksus;

 2) tRNA (transfer RNA) ehk transport-RNA – molekulid, mis liigutavad aminohappeid vastavalt mRNA-s sisalduvale geneetilisele informatsioonile; 

3) rRNA (ribosomal RNA) – ribosoom-RNA, mis moodustab ribosoome.

Ribosoom sünteesimas uut valku. Tumesinisena on kujutatud tRNA.

Prokarüootide valgusünteesis eristatakse kolme etappi: initsiatsioon, elongatsioon ja terminatsioon. Initsiatsiooni käigus toimub ribosoomi alaühikute seondumine, äratundmisjärjestuse leidmine mRNA-l ning esimese peptiidsideme süntees. Elongatsiooni käigus valguahel pikeneb ja terminatsiooni faasi jõuab süntees siis, kui kohtutakse stoppkoodoniga. Sünteesi lõppfaasis eralduvad sünteesitud valk, mRNA ja tRNA ning omavahel lahknevad ribosoomi alaühikud.

Veel eristatakse preribosomaalset ja ribosomaalset etappi, millest esimeses sünteesitakse väljaspool ribosoomi vastavate süntetaaside abil aminoatsüül-tRNA (aa-tRNA). Just aminoatsüül-tRNA süntetaas on ensüüm, mis identifitseerib tRNA molekuli ning sünteesib tRNA molekuli ja vastava aminohappe vahele estersideme. Valgusünteesi teises etapis, mis toimub juba ribosoomis, pannakse mRNA-s olev kolmest järjestikusest nukleotiidist koosnev koodon vastavusse tRNA-s sisalduva antikoodoniga. Ribosoom sünteesib koodoni ja antikoodoni vahele peptiidsideme.

Aminoatsüül-tRNA teke

Aminohappe liitmine tRNA molekulile toimub kahes jaos – nagu eespool kirjeldatud, on võtmeensüümiks aminoatsüül-tRNA süntetaas ja süntetaasiga seondumine toimub erinevatel hetkedel. Esimeses reaktsioonis seonduvad süntetaasiga aminohape ja ATP, mis moodustavad ensüümi pinnal aminoatsüül-adenülaadi. Selles ühendis on aminohape aktiveeritud karboksüülrühma kaudu. Teises reaktsioonis sünteesitakse aminohappe karboksüülrühma ja tRNA vahele esterside, mille tagajärjel vabaneb AMP.

1. sünt + aa + ATP ↔ sünt ATP aa ↔ sünt AMP-aa + PP
2. sünt AMP-aa + tRNA ↔ sünt AMP-aa tRNA ↔ sünt aa-tRNA + AMPLeft ↔ sünt + aa-tRNA

Legend

(sünt – aminoatsüül-tRNA süntetaas, aa – aminohape, AMP-aa – aminoatsüül-adenülaat, "-" tähistab kovalentset sidet.)

Aminoatsüül-tRNA süntees toimub erakordselt täpselt – üks viga 100 000 õigesti sünteesitud aa-tRNA kohta.

tRNA molekuli valimine

Süntetaasil on valida mitme tRNA molekuli vahel. Kineetilise korrektuuri abil tehakse kindlaks, milline molekul on õige. See toimub kahes etapis: 1) süntetaasi seondumine õigele tRNA molekulile; 2) õige tRNA aminoatsüleerimine tänu süntetaasi konformatsioonilistele muutustele. Vale molekuli seondumise korral võib tRNA küll süntetaasiga seonduda, kuid teda ei aminoatsüleerita, sest ta ei kutsu süntetaasis esile konformatsioonilist muutust. Seega ei jõua vale tRNA keemilist sidet looma hakata, enne kui ta ensüümilt eemaldub.

Initsiatsioon

Initsiatsioonis osalevad lisaks ribosoomile veel initsiaator-tRNA, GTP ja initsiatsioonifaktorid. Viimaseid on bakteritel kolm tükki, kaks neist on muutumatud (IF-2 (initsiatsioonifaktor 2) ja IF-3 on leitud kõigil bakteritel, IF-1 esineb osal neist). Kõige suurem faktor on IF-2 ja tema ülesandeks on GTP juuresolekul seonduda initsiaator-tRNAga (bakterirakus on selleks fMet-tRNA^fMet). See kompleks seondub bakteri väiksema ribosoomi 30S-ga ja moodustab stabiilse kompleksi. IF-3 ülesandeks on takistada ribosoomide alaühikute assotsieerumist – sellega tehakse võimalikuks mRNA ja IF-2 GTP fMet-tRNA^fMet kompleksi seondumine väiksele alaühikule. Initsiatsioon saab alguse initsiaatorkoodonist, milleks on tavaliselt AUG (10% juhtudest on selleks GUG). Initsiaatorkoodonile eelneb RBS ehk ribosome binding site (kutsutakse ka Shine-Dalgarno järjestuseks), mis kujutab endast 4–7-nukleotiidilist järjestust, mis on komplementaarne ribosoomi 30S alaühiku RNA otsaga. RBS asub AUG-st 5–7 nukleotiidi eespool. Translatsiooni alguseks võib lugeda järgnevat protsessi, kus mRNA 30S kompleks seondub IF-2 GTP fMet-tRNA^fMet kompleksiga, misläbi tekib esimene koodon-antikoodon paardumine. Sellega määratakse ka lugemisraami algus. Edasi seondub initsiaator-tRNA (fMet-tRNA^fMet) 30S ribosoomi P-saiti (vt alapunkti "Ribosoomides paiknevad tRNA saidid"). Järgmiseks initsiatsiooni etapiks on ribosoomi suurema alaühiku 50S kompleksile seondumine ja 70S ribosoomi teke. Sellega kaasneb IF-2-ga seotud GTP hüdrolüüs, mille käigus vabanevad IF-2, IF-3 ja GDP. Pärast esimese peptiidsideme sünteesi on valgusüntees jõudnud elongatsiooni etapini.

Ribosoomides paiknevad tRNA saidid

Ribosoomide alaühikute vahele jääv ala on piirkond, mida nimetatakse tRNA sidumiskohaks ehk aktiivtsentriks. Selliseid piirkondi on kolm: A-, P- ja E-sait.

• A-saiti seondub aminoatsüül-tRNA (samas kohas toimub ka aa-tRNAde valik mRNA koodoni alusel). aa-tRNA reageerib peptidüül-tRNAga, mille tulemusena moodustub peptiidside. Nüüd paikneb A-saidis peptidüül-tRNA.
• P-saiti seondub peptidüül-tRNA. Pärast peptiidsideme moodustumist A-saidis kantakse kasvav peptiidahel peptidüül-tRNAlt üle A-saidis asuvale aa-tRNAle ning P-saiti jääb deatsüleeritud tRNA.
• E-sait on spetsiifiline sait, millele liigub P-saidis deatsüleeritud tRNA. Koos sellega liigub nii deatsüleeritud tRNA kui ka mRNA ühe koha võrra edasi. E-saidi kaudu väljub deatsüleeritud tRNA ribosoomist ja läheb uuele ringile.

mRNA ja tRNA interaktsioonid valgusünteesil. Protein synthesis – valgusüntees; ribosome – ribosoom; growing peptide chain – kasvav peptiidahel; outgoing empty tRNA – tühi tRNA, mis lahkub ribosoomilt; Messenger RNA – mRNA ehk info-RNA.

Elongatsioon

Elongatsiooni käigus toimub ribosoomis peptiidahela pikenemine vastavalt mRNA järjestusele. Elongatsioon on tsükliline protsess – iga tsükli käigus lisatakse kasvavasse peptiidi üks aminohape. Protsessi kiiruseks on kuni 20 aminohapet sekundis. Elongatsioonil osalevad faktorid EF-Tu, EF-Ts, EF-G ja kofaktorina esinev GTP. Elongatsioonifaktorid EF-Tu ja EF-Ts moodustavad kompleksi, mida nimetatakse EF-T kompleksiks. (EF-T – T tuleneb sõnast transfer, "u" ja "s" tähistavad siinkohal termilist stabiilsust: u – unstable (ebastabiilne), s – stable (stabiilne). Seega kujutab EF-Tu endast ebastabiilset ja EF-Ts stabiilset struktuuri. Viimane faktor, milleks on EF-G, hüdrolüüsib ribosoomide juuresolekul GTP-d. EF-Tu ja EF-Ts osalevad aa-tRNA transpordil ribosoomi A-saiti. Alguses moodustab EF-Tu kompleksi aa-tRNA ja GTP-ga (nn kolmikkompleks) ja see liigub A-saiti. Seejärel kontrollitakse antikoodoni vastavust ribosoomis paikneva koodoniga. Kui aa-tRNA antikoodon on komplementaarne vastava ribosoomi koodoniga, siis toimub EF-Tu-l GTP hüdrolüüs ning EF-Tu GDP ja fosfaadijääk lahkuvad ribosoomist. Alles pärast EF-Tu GDP kompleksi lahkumist saab toimuda peptiidsideme süntees. Kui komplementaarsust pole, siis kolmikkompleks ribosoomile ei seondu. Seondumise korral katalüüsib EF-Ts EF-Tu-l nukleotiidi vahetuse (GDP→GTP) ja pärast seda tekib EF-Tu-GTP kompleks, mis on valmis siduma järgmist aa-tRNA-d (EF-Tu-GDP kompleks seda ei suuda).

Järgmiseks reaktsiooniks on peptiidsideme süntees, mida katalüüsitakse peptidüültransferaasses tsentris, mis asub ribosoomi suurel alaühikul. Sünteesi käigus kantakse peptiidjääk peptidüül-tRNAlt üle aa-tRNAle ehk aminohape, mis on tRNA 3'-otsas, reageerib aminorühma kaudu peptidüül-tRNA karboksüülrühmaga. Edasi toimub translokatsioon, mille käigus liigub mRNA kompleks (mRNA + kaks tRNAd) ühe koodoni võrra edasi. Nüüd jõuab peptidüül-tRNA P-saiti ja deatsüül-tRNA omakorda E-saiti. Seda reaktsiooni viib läbi EF-G koos GTP-ga. Pärast katalüüsi toimumist hüdrolüüsub GTP EF-G pinnal GDP-ks ning mõlemad lahkuvad ribosoomist.

Terminatsioon

Valgusüntees toimub nii kaua, kuni A-saiti jõuab üks kolmest stoppkoodonist: UUA, UAG või UGA. UAA koodon on ilmselt kõige enam esinev stoppkoodon ja ka kõige tugevam. Igale koodonile on spetsiifiline terminatsioonifaktor: RF-1 tunneb ära UUA ja UAG ning RF-2 identifitseerib koodonid UAA ja UGA. Veel on olemas RF-3, mis seondub ribosoomile siis, kui seal on juba ees RF-1 või RF-2. RF-3 ülesandeks on soodustada RF-1 ja RF-2 reaktsiooni ehk peptidüül-tRNA hüdrolüüsi, misjärel polüpeptiidahel vabaneb ribosoomist. Esineb ka neljas terminatsioonifaktor RRF(ribosome releasing factor), mis on vajalik mRNA vabanemiseks. RF-1 ja RF-2 seonduvad ribosoomi A-saiti ja interakteeruvad seal nii 30S kui ka 50S alaühikutega. Seondumisel on lisaks stoppkoodoni olemasolule oluline ka polüpeptidüül-tRNA olemasolu P-saidis. Kui ribosoomis juhtub olema lühike peptidüül-tRNA, siis ei ole terminatsioonifaktorite seondumine stabiilne ning terminatsiooni toimumine on ebatõenäoline.

Kui terminatsioon on edukas, eemalduvad faktorid, mRNA ja tRNA ribosoomist. Ribosoomide alaühikud eralduvad teineteisest, et saaks alata uue valgu süntees.

Hassalli kehad

Hassalli kehad (lad corpuscula thymi) on selgroogsete loomade tüümuse säsis (nii normaalses kui patoloogilises) olevad varieeruva suuruse ja arenguastmetega kindla päritoluta rakkude rühmad.

Hassalli kehad tüümuse koes

Hassalli kehad mikroskoobiga vaadatuna

Hassalli kehade areng ja päritolu on ebaselged, arvatakse et kehad moodustatakse tüümuse epiteelirakkudest.

Hasalli kehade moodustumise (ilmumise) kohta inimloote tüümuses on andmed varieeruvad, neid on tuvastatud 8.–16. rasedusnädalani.

Hasalli kehad on tuvastatud osadel roomajatel, kuid nende olemasolu madude tüümuses on arvatavasti vähe uuritud.

On pakutud, et Hassalli kehade ülesandeks võib olla kas surnud tümotsüütide lõhustamine või ka alles arenevate tümotsüütide küpsemise tagamine.

Hassalli kehi ümbritsevad lümfisooned.

Lamba tüümuses on tuvastatud Hassalli kehade lõhustamine makrofaagide poolt – lamba embrüo tüümuses toimub suurenenud Hassalli kehade lõhustumine makrofaagide poolt kas tiinuse lõppedes või kohe peale lambatalle sündi ning asendatakse uute Hassalli kehadega. Arvatakse, et see on normaalne füsioloogiline protsess, mis peaks kestma läbi kogu eluperioodi.

Hassalli kehad inimese tüümuses

Erinevas arengujärgus (11–40 arengunädalat) inimloodete uuringute alusel on Hassalli kehade morfoloogia varieeruv – mõõtmed võivad olla vahemikus 100–900 mikromeetrit või enamgi.

Inimeste Hassalli kehad ekspresseerivad tüümuse stromaalset lümfopoetiini (TSLP). Inimese tüümuse stromaalne lümfopoetiin aktiveerib CD11c- positiivseid tüümuse dendriitrakke ekspresseerimaks rohkelt CD80 ja CD86, mille tulemusel suudavad nimetatud rakud indutseerida CD4⁺CD8^-CD25^- tüümuse T-rakkude paljunemist ja diferentseerumist CD4⁺CD25⁺FOXP3⁺ regulatoorseteks T-rakkudeks.

Kehad on nimetatud nende avastaja Briti arsti, mikrobioloogi ja botaaniku Arthur Hill Hassall'i (1817–1894) auks, kes kirjeldas nende olemasolu inimese tüümuses 1846. aastal.

Tüümuse kortikomedullaarne tsoon

Tüümuse kortikomedullaarne tsoon (inglise thymus cortico-medullary junction) on paljudel selgroogsetel loomadel, sealhulgas inimesel, tüümuses asuv ja talitlev veresoonterohke piirkond, mis eraldab tüümuse koort ja säsi.

Tüümuse kortikomedullaarse tsooni täpsed funktsioonid pole seni teada.

Arvatakse, et protümotsüüdid sisenevad tsooni tüümuse säsis paiknevate suuremate veenulite kaudu. Ka topeltpositiivsed αβ T-rakud liiguvad tsooni, kus toimub positiivne ja negatiivne selektsioon ning koolitamine T-abistajarakkudeks ja tsütotoksilisteks T-rakkudeks.

Tüümuse perivaskulaarsed ruumid on ühenduses elundit ümbritseva kihnuga ja ulatuvad kuni kortikomedullaarse tsooni ühendusteni ning ühinevad tüümuse säsiga.

Tüümuse kortikomedullaarse tsooni ühenduskohtadel ühinevad tüümuse koore kapillaarid veenidega ning moodustavad koores vere-tüümuse barjääri (säsis tõke puudub).

Tüümuse kortikomedullaarse tsooni ülemineku kohalt saavad alguse viima lümfisooned, mis kulgevad koos veresoontega ja väljuvad elundist kihnu kaudu.

Tümotsüütide migratsiooni tsoonist tüümuse koorde reguleerivad kemokiinid.

Tüümuse kortikomedullaarses tsoonis ekspresseeritakse valku CTLA-4.

Tüümuse mikrovereringet saadavad närvikiud, mida leidub eriti rohkelt just tüümuse kortikomedullaarses tsoonis.

Tüümuse perivaskulaarsed ruumid

Tüümuse perivaskulaarsed ruumid (the perivascular spaces of the thymus gland) on paljudel selgroogsetel loomadel, sealhulgas inimesel, tüümuse talitlevad sidekoeosad, mis paiknevad tüümuse kihnus.

Perivaskulaarsed ruumid on ühenduses elundit ümbritseva kihnuga, ulatuvad kuni kortikomedullaarse tsooni ühendusteni ja ühinevad tüümuse säsiga.

Mitmete autorite arvates aga paiknevad tüümuse perivaskulaarsed ruumid üksnes tüümuse säsis.

Perivaskulaarsete ruumide kaudu liiguvad rakud, võimalik, et ka kehasisesed lahustuvad ained, tüümuse säsisse ja välja, tüümuse koort läbimata.

Perivaskuaarsete ruumide täpses anatoomilises ja füsioloogilises kirjelduses pole kokkuleppele jõutud – mõnede uurijate arvates on need mõningate tüümuses paiknevate soonte laiendid.

Perivaskulaarseid ruume varustavad vastavad arterid, veenid, lümfisooned ja närvid, mis paiknevad enamiku tüümuse säsi veresoonte ning veenide ja veenulite läheduses.

Perivaskulaarsetest ruumidest saavad alguse väikesed eferentsed lümfikapillaarid.

Normaalse anatoomia ja füsioloogiaga inimestel toimub tüümuse taandareng – 50. eluaastaks moodustab tüümuse perivaskulaarsete ruumide ja nende vahel paikneva elundi põhikoe massi rasv (80%)

Histoloogia

Perivaskulaarsetes ruumides on tuvastatud sageli lümfotsüüte, tüümuse plasmarakke, tüümuse müoidrakke, tüümuse T-rakke ja B-rakke ning monotsüüte, väikelastel peamiselt eosinofiile.

Kromoplast

Kromoplast on membraanidest koosnev taimeraku organell, mis sisaldab kollaseid ja punaseid pigmente ehk karotinoide. Kuulub plastiidide hulka.

Rakuhingamine

Rakuhingamine on kõikide aeroobses keskkonnas elavate organismide rakus toimuvate metaboolsete protsesside ja hingamisprotsesside kompleks. See on astmeline toitainete molekulide (näiteks glükoos või rasvhapped) lagunemine, mis lõpuks vabastab energiat adenosiintrifosfaadi (ATP) näol.

Kõige tavalisemalt kasutatav energiaallikas on glükoos. Ensüümid lõhuvad iga glükoosimolekuli mitme etapi vältel. Iga kovalentse sideme lõhkumisega vabaneb väike kogus energiat. Kui olemasoleva glükoosi hulk on liiga väike, on võimalik energiaallikana kasutada rasv- või aminohappeid.

Aeroobse hingamise summaarne valem on: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O.

Aeroobne hingamine

Glükolüüs

Glükolüüs on esimene etapp mitmete reaktsioonide hulgast, mis kokku moodustavad hingamise. Otsetõlkes on glükolüüs "glükoosi lõhkumine". Glükolüüs toimub raku tsütoplasmas. See on anaeroobiline (see tähendab, et protsess toimub ilma hapnikuta) ja selle tulem on pürovaat ja väike hulk ATPd. Üks molekul heksoosisuhkur glükoosi muutub kaheks molekuliks kolm-süsiniku molekuliks, mida nimetatakse pürovaadiks. Selle protsessi puhaskasu on kaks ATP molekuli ja kaks NADH + H molekuli. Glükolüüsi etapid on fosforüülimine, lüüsis, oksüdeerimine ja ATP moodustumine.

Neli ATP molekuli moodustub ühe glükoosimolekuli muutmisest kaheks pürovaadi molekuliks, kuid kaks molekuli ATPd on vajalikud, et alustada glükolüüsi jääb puhaskasumiks vaid kaks ATP molekuli. Lisaks ATP molekulidele ja pürovaadi molekulile, moodustub kaks NADH + H molekuli.

Fosforüülimine

Fosforüülimise protsessis lisatakse kaks fosfaadi gruppi ATPst. Selle tulem on heksoosi bifosfaat (see esineb vastupidi hingamise eesmärgile (ATP tegemine), kuid selleks kuluvad 2 ATPd taastatakse hiljem).

Lüüsis

Selle reaktsiooni käigus heksoosi bifosfaat lõheneb kaheks trifosfaadiks.

Oksüdeerimine

Esmalt leiab aset veel üks fosforüülimine, kuid sel korral kasutatakse ATP asemel anorgaanilist fosfaatiooni. Moodustub kaks 3-bifosfaati. Energia, mis fosfaatioonile lisatakse tuleb oksüdeerimise reaktsioonist. 3-bifosfaat oksüdeerub ja samaaegselt NAD redutseerub NADH+H.

ATP moodustumine

Oksüdeerimisele järgneb rida reaktsioone, mille käigus kaks fosfaadigruppi igast 3-bifosfaadist kantakse üle kahele ADP molekulile, et moodustada kaks molekuli ATPd. Samuti toodetakse pürovaadi molekul.

Sidereaktsioon ja Krebsi tsükkel

Kui hapnik on olemas, liigub glükolüüsil moodustunud pürovaat mitokondri maatriksisse lihtsustatud difusiooni abil, kus sidereaktsioon ja Krebsi tsükkel aset leiavad.

1. Sidereaktsioon kasutab koensüümi A-d, et muuta pürovaat atsetüül-CoA-ks. Süsiniku aatom eraldub süsinikdioksiidina. Sellega samaaegselt oksüdeerub pürovaat vesiniku eraldumisega. NAD eemaldab vesiniku aatomid, et moodustada NADH+H.
2. Atsetüül siseneb Krebsi tsüklisse, et jätkata aeroobilise hingamise protsessi. Otsekoheselt eraldatakse koensüüm A ümbertöötlemiseks.
3. Kaks süsinikku, mis atsetüül-CoAga sisenesid, lahkuvad süsinikdioksiidina.
4. Moodustub üks ATP molekul.
5. Vesinik eemaldub oksüdeerimise reaktsioonide ajal kahte hapnikukandjasse – NAD-i ja FAD-i.
6. Krebsi tsükkel algab ja lõpeb samade ainetega.

Kuna iga glükoosi molekul moodustab glükolüüsiga kaks pürovaadi molekuli, vajab iga glükoosi molekul kahte sidereaktsiooni ja kahte ringlust Krebsi ringluses (selle tõttu, kui arvutada ringluse tulemit, tuleb arvestada kaht kogumit tulemeid).

Sidereaktsiooni ja Krebsi tsükli tulemid on:

• 8 NADH+ H molekuli
• 2 FADH₂ molekuli
• 2 ATP molekuli
• 6 süsinikdioksiidi molekuli

Üldistus

Raku hingamine on eksotermiline protsess. Vabaneb energia, mis salvestub ATP molekulides aga ka soojuse kujul. Üldisemas mõttes moodustab see eluslooduse suurema tsükli koos autotroofides toimuvate endotermiliste reaktsioonidega, fotosünteesiga. Fotosünteesi võib vaadelda kui rakuhingamise vastandprotsessi. Esimeses laguneb süsihappegaas, vesi ja ühe jäägina eraldub hapnik, teises vastupidi. (Fotosünteesi teostavad organismid on näide nende mõlema protsessi koostoimest. Kui valgust pole, saavad fotosünteesijad samuti energiat rakuhingamise reaktsioonidest, lagundades eneste poolt valmistatud toitu). Nii moodustavad need kaks eluliselt tähtsat reaktsiooni omavahelise terviku. See on hea näide looduses toimuvast dünaamilisest tasakaalust.

Rakukest

Rakukest on rakumembraanist väljaspool olev kest.

Rakukest esineb taimerakkudel ja seenerakkudel, loomarakkudel aga enamasti puudub. Rakukest annab rakule tugevuse ja kindla kuju.

Rakukesta materjaliks on enamasti tselluloos, hemitselluloos või 

kitiin.

Taimede rakukesta ehitus

Taime rakukesta ehituse skeem

Rakukest koosneb kolmest kihist, moodustades küllalt tugeva rakuümbrise, mis suudab vastu seista osmootsele rõhule. Rakukestade paksus kõigub 0,1 kuni mõne mikromeetrini ja nende ehitus annab taimele tugevuse.

Maal levinud taimsest materjalist moodustavad põhimassi kolm biopolümeeri, mis on põhilised rakukesta ehitusmaterjalid. Need on tselluloos, ligniin ja hemitselluloos, vastavalt keskmiselt 33, 30 ja 20 protsenti biomassist. Puidus on nende sisaldus vastavalt 40–50%, 20–30% ja 20–30%. Erinevalt tselluloosist ja hemitselluloosist, mis on polüsahhariidid, on ligniin oluliselt varieeruva struktuuriga polümeer, milles prevaleerivad aromaatsed (benseeni) tsüklid. Ligniin seondub keemiliselt hemitselluloosiga (polüsahhariididega), seega aitab tugevdada rakukesta ja kogu taime. Lisaks nimetatud põhikomponentidele on rakukestades mitmeid ühendeid, mis modifitseerivad selle tugevust ja läbilaskvust.

Puitumine on polüsahhariidide ja ligniini ladestumine taime raku seintesse, mille tulemusena muutub taime vars jäigaks.

Pooldumine

Pooldumine on organismide vegetatiivne sigimisviis ja ühtlasi rakujagunemine, mille tagajärjel vastav rakk jaguneb kaheks suhteliselt võrdseks osaks.

Pooldumine sigimisviisina esineb üherakulistel organismidel (sealhulgas bakteritel, vetikatel) ja mõningail hulkraksel organismil, näiteks teatud ainuõõssetel ja rõngussidel.

Vähirakk

Vähirakuks (inglise keeles cancer cell) nimetatakse osade loomade (tõenäoliselt ainuõõsete hõimkonnast alates) uudismoodustistes teatud rakusiseste genoomimuutuste tagajärjel kujunenud ja iseseisvalt talitlevat rakutüüpi, mis võib kontrollimatult, invasiivselt ja infiltreerivalt ümbritsevatesse kudedesse vohada, kasvajakoldeid moodustada, metastaase anda ning vähktõbe ja koguni surma põhjustada.

Normaalse raku anatoomia # Tuumake # Tuum # Ribosoom # Vesiikul # Karedapinnaline tsütoplasmavõrgustik # Golgi kompleks # Tsütoskelett # Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik # Mitokonder # Vakuool # Tsütoplasma # Lüsosoom # Tsentrosoom (tsentriool)

Vähiraku anatoomia ja füsioloogia

Tuumake

Raku tuumas asuvates tuumake(st)es aset leidvaid mitmeid rakutsükli muutusi seostatakse rakkude soovimatu paljunemise ja tumorigeneesiga.

Arvatakse, et vähirakkudes on erinevate tegurite toimel tuumakeste aktiivsus suurenenud ja ribosoomalse RNA süntees muutunud tavalisest kiiremaks.

Tsentrosoom

Tsentrosoomid on loomarakkudes mikrotuubuleid organiseerivad keskused või piirkonnad, milles paiknevad tsentrioolid. Tsentrosoomide kohta teatakse vähe kuid arvatakse, et nende funktsioonide hulka kuuluvad ka kromosoomipaaride segregatsioon meioosis ja tsütoplasma ning rakuorganellide lõpliku jagunemise tagamine, pärast rakutsükli lõppemist.

1914. aastal pakkus Theodor Boveri välja teooria, mis sidus tsentrosoomide amplifiktsiooni ja kromosomaalse ebastabiilsuse teket pahaloomuliste kasvajarakkude arenguga.

---

Vähiraku geneetika

Vähirakkude täpseid arengu ja taandarengumehhanisme ei tunta.

Üks vähirakk või vähirakkude kogum on kasvaja algmeks.

Genoomimuutused võivad olla kromosoomide tasemel või DNA-tasemel. Raku võivad vähirakuks suunata mutatsioonide esinemine nii jagunemist, kasvu, diferentseerumist ja programmeeritud rakusurma juhtivates geenides, ning rakk muutub käitumiselt pahaloomuliseks.

Selgroogsete vähirakus võib olla isegi 10 000 – 100 000 mutatsiooni (nii somaatilisi kui pärilikke). Somaatilised muutused on organismi eluajal paikselt toimuvad muutused ja ei ole üldjuhul pärilikud (inimestel esineb sagedamini kasvajavastane geeni TP53 mutatsiooni).

Enamiku kasvajate korral ei ole rakkude kontrollimatu vohamine põhjustatud ainult üksikust protoonkogeeni kontrollimatust aktivatsioonist (punktmutatsioonid) või tuumori supressorgeeni inaktivatsioonist.

Vähkkasvaja koed on valdavalt monoklonaalsed, pärinedes ühest emarakust, mis saab kasvueelise.

Osad vähirakkude tüübid võivad pärineda ka kasvaja tüvirakkudest.

Vähiraku tundemärgid on järgmised:

• teatud arengujärgus rakkude geenide mutatsioonid ja uue fenotüübi kujunemine
• autonoomsus kasvu soodustavatest signaalidest – vähirakk toodab enda jagunemiseks soodustavaid signaale ise näiteks onkogeenid e aktivatsiooni kaudu, vähirakkude mitootiline aktiivsus on harilikult suurem kui vastava koe harilikel rakkudel;
• autonoomsus kasvu piiravatest signaalidest – vähirakkude kasvajavastased geenid on inaktiveerunud;
• programmeeritud rakusurma vältimine – täpseid mehhanisme ei teata arvatakse, et võib seisneda kas onkogeenide aktivatsioonis või kasvajavastaste geenide inaktivatsioonis;
• ebanormaalne uussoonestumine;
• DNA kahjustumine;
• immuunjärelevalvemehhanismide 'eksitamine';
• invasioon ümbritsevatesse kudedesse, metastaseerumine ja siirete moodustamine.

Vähirakkudel on täiesti uus genotüüp, mis aga võib ühe kasvajakolde piires samuti erineda, osad vähirakud ei ole liigispetsiifilised. Vähirakk on iseseisev ega sõltu ümbritsevatest keharakkudest, sünteesides ja eritades tsütokiine, elukohale vastavat tüüpi kasvufaktoreid ja ise neile reageerides, kasvades kas kiiresti või aeglaselt, endofüütselt või eksfüütselt ning liikudes teatavate mehhanismide abiga vere- ja lümfisoonte kaudu ühest elundist teise. Selleks kasutavad pahaloomulised kasvajarakud kasvusignaale mis kutsuvad esile neovaskularisatsiooni – veresoonte kontrollimatu tekke ja 'puhkemise' (ingl sprouting). Kapillaaride ja suuremate veresoonte uussoonestumist peetakse oluliseks teguriks osade kasvajate arengul vähktõveks. Neovaskularisatsiooni keskseks kasvufaktoriks peetakse siin vere- ja lümfisoonte endoteeli kasvu ja diferentseerumist reguleerivat kasvufatorit VEGF.

Teatud vähirakud toodavad ka immunoglobuliine.

Arvatakse, et vähirakul on palju sarnasusi tüvirakkudega ja vähirakud võivad hakata paljunema inimese kõigis kudedes.

Kopsuvähi rakud

Kopsuvähi klassifitseerimisel ja rühmitamisel ning fenotüübi määramisel soovitatakse kasutada mitte vähiraku vaid vähiraku tuuma suurust, kuna selles paikneb DNA.

Vähi kujunemisega seotud geenid

Vähi tekkele viivaid mutatsioone on tuvastatud paljudes geenides. Vähi kujunemisega seotud geenid liigitatakse kahte põhirühma: onkogeenid ja kasvajavastased geenid.

Paraneoplastilised sündroomid

Paraneoplastilisi sündroome kutsuvad esile vähirakkude eritatud signaalmolekulid või mediaatorained (hormoonid, peptiidid, tsütokiinid, immunoglobuliinid jt) ja lümfoid(-immuun)süsteemi üsna võimsad vastused neile.

Molekulid

Vähirakkude adenosiintrifosfaadi sisaldus on võrreldes normaalsete rakkude omaga suur.

Uuringud näitavad, et soolevähi rakud sünteesivad immunoregulatoorseid glükokortikoide, mis võivad inhibeerida immuunrakkude aktivatsiooni ja soodustada nende surma.

Uuringud inditseerivad, et rakukolesterool sünteesitakse kas rakus endas või tõmmatakse väljast rakku ja tarbitakse vähiraku poolt. Kolesterooli vastuvõttu vahendavad kõrgtihedusega lipoproteiinide püüdurretseptorid SR-BI (Scavenger receptor class B member 1) ja madaltihedusega lipoproteiinid LDLR. Normaalseks peetavates kudedes ekspresseeritakse SR-BI maksas ja steroidogeensetes kudedes, kus kolesterooli ringlus on vajalik steroidhormoonide sünteesiks. On tõendeid selle kohta, et SR-BI mängib rolli eesnäärme kartsinoomi välja kujunemisel.

Glutatioon

Kui kasvaja on välja kujunenud, siis võib glutatiooni kõrgenenud tase vähirakkudes kaitsta neid kemoteraapia ravimite eest.

Vähkkasvajas on glutatiooni metabolismil nii inhibeeriv kui patogeenseid protsesse edendav roll. Arvatakse, et glutatioonil on tähtis roll kartsinogeenide detoksifikatsioonil. Rakusisese glutatiooni kõrgenenud tase vähirakkudes suudab inhibeerida mitut tüüpi vähirakkudele suunatud kemoteraapiaagensite kahjulikku toimet.

Puriin

Puriini ja pürimidiini süntees on vähirakkudes ülesreguleeritud.

Tsütokiinid

Kasvaja kasvutegur beeta

Kasvaja kasvutegur beeta (TGFβ) on tsütokiini tüüp, mis mõjutab rakkude kasvu ja diferentseerumist.

Karolinska instituudi teadurite uuringud näitavad, et just see eritatav tsütokiin varustab vähiraku pinda valgete verelibledele omaste retseptoritega selliselt, et need pääseksid immuunjärelevalvele võimalikult märkamatult lümfisüsteemi.

Retseptorid

Eri tüüpi vähirakkudel on tuvastatud opioidiretseptorid. Nende retseptorite roll vähirakkude kasvul ja migratsioonil ei ole selge.

Onkoloogia

Pahaloomuliste kasvajarakkude diferentseerumise astme ja kliinilise kulu alusel jagatakse kasvajad healoomulisteks, piirpahaloomulisteks või pahaloomulisteks kasvajateks.

Kasvajarakkude moodustatud kasvajakollete eemaldamiseks võidakse kasutada ka operatiivset ravi, kuid kuna pahaloomulised kasvajad on ümbritsevate kudedega tihedalt seotud võib kasvaja eemaldamine võimatuks osutuda ja taasteket, milleks arvatakse üksiku infiltreerunud vähiraku olemasolust piisavat, ei saada välistada.

Mitmed kasvajarakkude populatsioonid võivad arendada välja resistentsuse nii hormoon-, keemia-, bioloogilise kui ka kiiritusravi suhtes.

Regulatoorsed T-rakud

Regulatoorsed T-lümfotsüüdid ehk regulatoorsed T-rakud ehk supressor-T-rakud (inglise regulatory T cells, T_reg cells) on paljude selgroogsete lümfisüsteemi (lümfoid(-immuun)süsteemi) rakud.

Esmased regulatoorsete T-rakkude populatsioonid küpsevad harkelundis. Nad liigitatakse T-lümfotsüütide hulka.

Ülesanded

Regulatoorsete T-rakkude molekulaartasandi funktsioonid on seni lõpuni uurimata. Arvatakse, et nad reguleerivad (püüavad piirata) krooniliste põletikega seotud haigusi, kuid nad piiravad ka eluterveid immuunvastuseid supresseerides kasvajatevastast immuunvastust.

Nende ülesandeks on immuunvastuse supresseerimine. Nad reguleerivad (harilikult vähemuse poole) plasmarakkude ja tsütotoksiliste T-rakkude ning autoreaktiivsete T-rakkude aktiivsust.

Nende talitluse häirumine, ülereageerimine või lakkamine aga võib indutseerida väärimmuunvastuse kujunemist ja seetõttu seostatakse neid ka autoimmuunhaiguste

 väljakujunemisega.

Regulatoorsed T-rakud ekspresseerivad dopamiiniretseptoreid ja sisaldavad dopamiini.

Liigitus

Regulatoorsete T-rakkude liigitus pole päris selge, kuid enamasti liigitatakse regulatoorsete T-rakkude hulka järgmised rakud:

• CD4⁺-CD25⁺-T-_reg-rakud,
• Tr1-rakud,
• CD8⁺-regulatoorsed rakud,
• T_h3 rakud ehk T_h3- tüüpi rakud (TH3-lümfotsüüdid) (need liigitatakse vahel ka T-abistajarakkude alaliikide hulka),
• looduslikud tappur-T-rakud (need liigitatakse vahel ka T-lümfotsüütide põhigruppide hulka).

Kliiniline meditsiin

Arvatakse, et regulatoorsed T-rakud osalevad mitmete autoimmuunhaiguste limiteerimisel nagu I tüüpi diabeet, astma ja põletikuline soolehaigus (IBD).

Regulatoorsed T-rakud on aktiivsed ka mitmete geneetiliste haiguste nagu sarkoidoos ja IPEX sündroom (IPEX − immunodysregulation polyendocrinopathy) põletikukolletes.

Pahaloomulistes kasvajates

Regulatoorsete T-rakkude populatsioonid on suurenenud mitmete pahaloomuliste kasvajate kolletes.

Ajaloolist

Regulatoorsete T-rakkude olemasolu oli pikka aega vaidlustatud.

• 1971 teatasid Richard K. Gershon ja Kondo, et on tuvastanud nn supressor-T-rakud.

Antikehad

Antikehad ehk immunoglobuliinid (ka immuunkehad, kaitsekehad, ladina keeles immunoglobulinum; lüh: Ig) on kehavedelikes lahustuvad väga erineva molekulmassi ja funktsioonidega essentsiaalsed molekulid, mis liigitatakse glükoproteiinide hulka ja mida toodavad selgroogsete loomade (sh inimese) immuunsüsteemi B-lümfotsüüdid. Immunoglobuliinidel on omadus ära tunda ja endaga siduda antigeene (milleks on normaalsel juhul organismile võõrad ained). Inimorganismis leidub vähemalt 10⁷, võib-olla kuni 10⁹ erineva äratundmis-spetsiifikaga antikehade tüüpi.

Immunoglobuliinide areng, morfoloogia, funktsioonid ja patoloogia erinevad nii liigiti kui ka indiviiditi. Immunoglobuliinide hulk ja süntees oleneb organismi vanusest, aga ka paljudest muudest teguritest.

Teatud immunoglobuliini toodavad ka mitmete pahaloomuliste kasvajate rakud.

Üldstruktuur

Kõigile antikehadele on omane sarnane üldstruktuur: nad koosnevad neljast disulfiidsildadega ühendatud valguahelast. Kaht suuremat ja omavahel identset ahelat nimetatakse rasketeks ehk H-ahelateks (ingl.k heavy chains), kaht väiksemat ning samuti omavahel identset ahelat nimetatakse kergeteks ehk L-ahelateks (inglise light chains). Raske ahel koosneb neljast eri geeniosade kodeeritud valgudomeenist, mida tähistatakse (N-otsast lugedes) V_H, C_H1, C_H2, C_H3. Neist V_H on väga muutliku ehitusega ja moodustab ühe osa antigeeni äratundvast tsentrist, ülejäänud kolm domeeni on eri antikehadel üsna sarnase ehitusega. C_H2, C_H3 ehitus erineb veidi eri antikehade isotüüpidel (vt antikehade tüübid). C_H2 domeenis paiknevad Fc retseptorite ja komplemendi-sidumissaidid (vt antikehade osa immuunvastuses), samuti kaks raskeid ahelaid koos hoidvat disulfiidsilda. C_H1 domeenis paikneb kerget ja rasket ahelat ühendav disulfiidsild. C_H1 ja C_H2 domeenide vahel paikneb kergesti liikuv nn hinge-regioon.

Kerge ahel koosneb kahest, V_L ja C_L domeenist. V_L on varieeruva ehitusega ja moodustab teise poole antigeeni äratundvast tsentrist, C_L on aga kindla ehitusega ja ühendatud disulfiidsillaga C_H1 domeeni külge.

Antikehade põhiklassid

Hoolimata üldisest sarnasusest saab antikehi ehituse alusel jagada mitmeks klassiks ja alamklassiks. Neid klasse nimetatakse isotüüpideks ja nende erinevused tulenevad vastavate raskete ahelate struktuuride erinevustest.

Madudel

Madudel on tuvastatud järgmised immunoglobuliinide klassid:

• immunoglobuliin D (IgD)
• immunoglobuliin M (IgM)
• immunoglobuliin Y (IgY) – (IgYa ja IgYb-)

Hobustel

Hobustel on tuvastatud immunoglobuliinide klassid ja alamklassid: IgA, IgE, IgM ja IgG – IgG2a, IgG2b, IgG2c, IgGI, IgG(T).

Hobuseid kasutatakse maomürgivastaste antiseerumite (töödeldud immunoglobuliinid) tootmisel, selleks immuniseeritakse (süstitakse) hobuseid erinevat liiki mürkmadude mürgiga ja seejärel eraldatakse neist immunoglobuliinid vastumürkide tarvis.

Inimese antikehade põhiklassid

Inimesel esinevad antikehade põhiklassid on:

• immunoglobuliin A (IgA)
• immunoglobuliin D (IgD)
• immunoglobuliin E (IgE)
• immunoglobuliin G (IgG)
• immunoglobuliin M (IgM)

Klassidesse kuuluvaid immunoglobuliine nimetatakse vastavalt IgA, IgD, IgE, IgG ja IgM tüüpi antikehadeks.

Neist koguseliselt kõige rohkem esineb tervel inimesel IgG-d. IgA esineb monomeeride või nn j-ahelate abil ühinenud dimeeride või trimeeridena. IgM esineb ainult pentameersena. IgE ja IgM eripäraks on ka hinge-regiooni puudumine. Eri antikehade isotüüpidel on veidi erinevad bioloogilised funktsioonid (vt antikehade osa immuunvastuses).

Antikehade tootmine ja geenid

Antikehade geenid kuuluvad suurde ja mitmekesisesse Ig superperekonda. Nad teevad organismi arengu käigus läbi mitmeid keerulisi ümberkorraldusi.

Immunoglobuliini geenid kahe kerge ahela jaoks (κ-ahel ja λ-ahel) asuvad inimesel vastavalt 2 ja 22 kromosoomil, geenid eri isotüüpide raskete ahelate jaoks aga 14 kromosoomil. Kerge ahela geen sisaldab (5'-otsast lugedes) umbes 100 erinevat V-domeenide järjestust (neile eelnevate signaalpeptiid-järjestustega), seejärel nn J-järjestused ja 1–6 C-domeeni järjestust. Raske ahela geenid sisaldavad samuti kõigepealt V-domeenide järjestusi (umbes 200 erinevat), seejärel üle 20 D-segmendi ('diversity-segment', kodeerib V-domeeni C-otsa), seejärel eri isotüüpide alamklasside C-domeenide järjestused.

B-lümfotsüütide arenemisel toimub esimese ümberkorraldusena raskete ahelate geenide ühe D-regiooni ja ühe J-regiooni ühinemine koos nende vahele jääva DNA deletsiooniga (väljalõikamisega). Seejärel kõrvaldatakse ülejäänud D-regioonid, misjärel toimub ühe V-regiooni liitmine ühinenud DJ-regioonile. Saadud geenis on nüüd valmis antikeha raske ahela N-ots ja sellele järgnevad intronitega lahutatud eri isotüüpide C-domeenide järjestused.

Geeni transkriptsiooni järel toimuva splaisingu tulemusena tekib mRNA, mis sisaldab ainult ühe isotüübi C-domeenide järjestusi.

Geenide ümberkorraldused kergete ahelate puhul on sarnased, ei toimu ainult D- ja J-regioonide ühinemist (kuna kergetes ahelates puuduvad D-regioonid). mRNA-de translatsiooni järel saadud kerged ja rasked ahelad ühendatakse omavahel teatud ensüümide abil disulfiidsildadega, glükosüleeritakse ja sekreteeritakse.

Patoloogia

Immunoglobuliinide taseme ja puuduliku sünteesiga seostatakse mitut immuunpuudulikkusega seotud haigust.

T-rakkude retseptorid

T-rakkude retseptorid (ingl T-cell receptors, TCR, ka TcR) on lümfoid(-immuun)süsteemiga loomadel T-rakkude membraanil paiknevad valkude kompleksid ja immuunretseptorid, mille ülesandeks on antigeenide äratundmine üksnes läbi organismiomaste MHC-molekulide ja immuunvastuse regulatsioon.

T-raku retseptori kompleksi illustratsioon - koos TCR-α ja TCR-β ahelaga, CD3 ja ζ-ahela molekuliga

T-rakkude koolitamine MHC-molekulide tunnistamiseks toimub tüümuses.

Nii näiteks tunnevad T-rakkude retseptorid ehk TCR-molekulid ära kehavõõraste antigeenide olemasolu viirusega nakatatud rakumembraanil koos raku enda peamise koesobivuskompleksi (inimestel HLA) antigeenidega.

TCR-molekulid aktiveeritakse biokeemiliste sündmuste toimel, mille vahendajateks on ensüümid, koretseptorid, spetsiaalsed molekulid ja aktiveeritud või vabastatud transkriptsioonifaktorid.

TCR-molekulide aktiveerimise tulemina võidakse suunata T-rakkude diferentseerumist T-abistajarakkudeks või tsütotoksilisteks T-rakkudeks ja paljunemist ning geeniekspressiooni muutmist.

T-rakkude retseptorid koosnevad kahest erinevast valguahelast kas α ja β või γ/δ ahelatest, mida kodeerivad vastavad geenid, mõlemad αβ ja γδ T-rakud on võimelised tsütokiine sünteesima ja mikroorganismidele ning vähirakkudele toksilisi aineid eritama.

Lisaks TCR pinnaretseptoritele espresseerivad tümotsüüdid ka mitmeid teisi antigeene, näiteks CD-sid.

T-rakkude retseptorid erinevad immunoglobuliinidest.