Tülakoid

Tülakoid on kloroplasti sisemembraani sissesopistus. Tülakoidid koosnevad tülakoidi siseosast, luumenist ja seda ümbritsevast tülakoidi membraanist. Tülakoidi membraanidel toimuvad fotosünteesi valgusreaktsioonid. Kloroplasti tülakoidid moodustavad kettalaadsete moodustiste kuhjasid, mida nimetatakse graanideks. Graanad on omavahel ühendatud strooma tülakoidide, lamellidega. Lamellid ühendavad graanad üheks funktsionaalseks siseruumiks.

Graana on paksemate ketaste kuhi ja peened ning lapikud on strooma tülakoidid, mida nimetatakse ka lamellideks

Termin "tülakoid" on tuletatud kreekakeelsest sõnast thylakos, mis tähendab kotikest või pauna.

Tülakoidi struktuur

Tülakoid on kloroplastis asuv, selle membraaniga seotud struktuur.

Inner membrane – sisemembraan; thylakoid – tülakoid; stroma – strooma; outer membrane – välismembraan; granum – graana

Tülakoidi membraan

Tülakoidi membraan on poolläbilaskev, nagu teisedki rakkude membraanid. Sellest pääsevad osmoosi tõttu takistuseta läbi vee ja hapniku molekulid. Tülakoidi membraan seob endaga fotosünteetilisi pigmente, mis viivad läbi fotosünteesi valgusreaktsioone. Tülakoidi membraani lipiidne kaksikkiht sarnaneb prokarüoodi ja kloroplasti sisemembraanidega. Kõrgemate taimede tülakoidi membraanid koosnevad peamiselt fosfolipiididest ja galaktolipiididest, mis on asümmeetriliselt paigutunud üle kogu tülakoidi membraani. Tülakoidi membraanides on galaktolipiidide osaskaal suurem, kui fosfolipiidide osakaal. Sellele erinevusele vaatamata on taimede tülakoidi membraanides näidatud lipiidse kaksikkihilaadset organiseeritust. Tülakoidi membraani lipiide sünteesitakse kompleksset rada pidi, mis kätkeb endas lipiidi prekursori transporti tsütoplasma võrgustikust plastiidi ja sealt transporti sisemembraanilt tülakoidi membraani.

Tülakoidi luumen

Tülakoidi luumenis on vedelik, mis koosneb peamiselt veest ja luumen on ümbritsetud tülakoidi membraaniga. Valgusreaktsiooni käigus lagundatakse vee molekule (tekivad hapniku molekulid, mis väljuvad luumenist läbi membraani ja vesiniku ioonid ehk prootonid) ning samas pumbatakse stroomast prootoneid läbi tülakoidi membraani luumenisse. Mõlema protsessi tulemusena muutub see keskkond happeliseks, prootonirohkeks (pH 4). Luumeni ja strooma vaheline prootonite gradient käivitab ja hoiab toimivana ATP süntaasis toimuva ATP sünteesi.

Graanad ja strooma lamellid

Kõrgemates taimedes on tülakoidid organiseeritud graana-strooma kompleksi. Graanaks nimetatakse tülakoidi "ketaste" kuhja. Graanad annavad kloroplastidele suure pinna ja ruumala suhte, mis on oluline fotosünteesi seisukohalt. Ühes kloroplastis võib leiduda 10–100 graanat. Graanad on omavahel ühendatud strooma tülakoididega, mida võib kutsuda ka graanade vahelisteks tülakoidideks või lamellideks. Graana tülakoide ja strooma tülakoide eristatakse nende valgusisalduse põhjal.

Tülakoidide teke

Idu tärkamisel mullast arenevad proplastiididest kloroplastid. Tülakoidide tekkeks on vajalik aga valguse olemasolu. Valguse puudumisel (näiteks seemnetes) arenevad proplastiidid etioplastideks. Vähene valgus tingib tülakoidide mittetöötamise, mis omakorda lõpetab kloroplastide töö ja lõpptulemusena taim sureb.

Tülakoidide moodustumisel mängib olulist rolli valk nimetusega vesicle-inducing protein in plastids 1 (lühendiga VIPP1). VIPP1 valk on vajalik tülakoidide membraani loomeks. Ilma VIPP1 valguta taimed surevad. Vähendatud valgukoguste juures taime kasv aeglustub ja fotosünteesi võime väheneb.

Tülakoidi valgud

Tülakoidides on palju membraani läbivaid valke, perifeerseid valke ja ainult luumenis asuvaid valke. Kõigist teadaolevaist tülakoidi valkudest on 42% seotud fotosünteesiga, 11% korrektse kokkupakkimisega, 9% valkudest kaitsevad oksüdatiivse stressi eest ja 8% tegelevad translatsiooniga.

Tülakoidi membraani läbivad valgud

Fotosünteesi valgusreaktsiooni täitmise seisukohalt on kõige olulisemad need neli valgukompleksi:

• Fotosüsteem I (PSI) ja fotosüsteem II (PSII)
• Tsütokroomi b₆f kompleks (Cyt b₆f)
• ATP süntaas

Fotosüsteem II valgukompleksid paiknevad peamiselt graana tülakoidides. Fotosüsteem I ja ATP süntaasi valgukompleksid on aga koondunud strooma tülakoididesse ja graanade väliskihtidele. Tsütokroomi b₆f kompleksi valgukompleks on ühtlaselt jaotunud üle kogu tülakoidi membraani. Tingitud erinevast ruumilisest paigutusest tülakoidi membraanis on valgukomplekside vaheliseks elektronide transpordiks vaja spetsiaalseid kandjavalke. Kandjavalkudeks tülakoidi membraanis on plastokinoon ja plastotsüaniin.

Nimetatud neli valgukompleksi ja neid abistavad transportervalgud kasutavad valgusenergiat, et viia läbi elektronide transpordi ahel, mille tulemusena tekib tülakoidi membraanil kemoosmootne potentsiaal, ehk prootonite gradient, mida kasutades ATP süntaas ATP-d sünteesib.

Tsütokroomi b₆f kompleks

 Pikemalt artiklis Valgusreaktsioonid

Tsütokroomi b₆f kompleks (Cyt b₆f) on suur, mitmest alaühikust koosnev valgukompleks, mille moodustavad kaks b-tüüpi heemi ja üks c-tüüpi heem (tsütokroom f). Cyt b₆f kompleksi ülesanne on katalüüsida elektronide liikumist plastokinoolilt plastotsüaniinile. Elektronide transport Cyt b₆f-is on analoogne reaktsiooniga, mida katalüüsib kompleks III (tsütokroom bc₁) mitokondriaalses elektrontransportahelas, kus muudetakse hapniku veeks. Elektronide liikumisega läbi Cyt b₆f kompleksi transporditakse samaaegselt H⁺ ioone stroomast luumensisse. Q-tsüklis toimub iga elektroniga paardunud kahe H⁺ kandumine stroomast luumenisse. Seega on elektronide transport läbi Cyt b₆f kompleksi vastutav prootongradiendi tekkimise eest, mida omakorda kasutatakse ära ATP sünteesi läbi viimiseks.^[7] Tsütokroomi kompleksilt (konkreetselt tsütokroomilt f) kanduvad elektronid edasi plastotsüaniinile. Plastotsüaniin on väike, hügroskoopne vaske sisaldav valk, mis on võimeline difundeeruma tülakoidi luumenis ning PSI valgukompleksis valguse abil oma elektroni stroomasse vabastama.

Fotosüsteem I

 Fotosüsteemi I moodustab reaktsioonitsenter koos valgust püüdva pigment-valk-antennisüsteemiga ja elektrontransportahela komponentidega. Fotosüsteem I viib läbi NADP⁺ redutseerimise ja seda tehes vabastab plastotsüaniinilt elektroni. PSI valgust püüdev antennisüsteem kasutab mõneti sarnaseid valke nagu PSII antennisüsteem, kuid struktuurilt ja ehituselt erineb ta oluliselt PSII-st. Kuigi PSI antennis on kokku samapalju klorofülli kui PSII antennis, puudub seal klorofüll b ja karotenoide on tunduvalt vähem. PSI tsentri pigmendikompleks P700 neelab valgust pikemal lainepikkusel (700 nm) kui PSII tsentri pigmendikompleks P680 (680 nm). Samuti on PSI-s elektroni primaarseks aktseptoriks kinoon. Kinoonilt kandub elektron edasi rauda sisaldavate mitteheemsete FeS-struktuuride kaudu, millest osa on struktuurselt seotud PSI valkudega, kompleksist võib eralduda aga viimane elektroni kandja ferredoksiin. Ferredoksiinilt kanduvad elektronid ferredoksiin-NADP reduktaasi kaudu üle fotosünteesi elektrontransportahela viimasele NADP⁺-le.

Tülakoidi luumeni valgud

Valk plastotsüaniin asub tülakoidi luumenis ja transpordib elektrone tsütokroomi b₆f kompleksilt fotosüsteem I-le. Plastokinoonid on omadustelt rasvlahustuvad ja sellest tingituna transpordivad elektrone tülakoidi membraani kaksikkihtide vahel. Tülakoidide luumenis toimub ka vett oksüdeerival kompleksil, mis on kinnitunud valgukompleksi fotosüsteem II luumenipoolsele osale, vee oksüdeerimine.

Tülakoidi valkude ekspressioon

Kloroplastidel on oma genoom, kus leidub ka tülakoidi valkude geene. Evolutsiooni käigus on aga suur osa geene kloroplastide genoomist jõudnud raku tuumagenoomi. Selle tulemusena on tülakoidi valkude geenid ositi raku tuumas, ositi kloroplastide tuumas. Sellise ebatavalise geenipaigutuse regulatsiooniks on taimedel aja jooksu vajalikud regulatsioonimehhanismid välja arenenud. Näiteks fotosünteesiaparaadi geenide ekspressiooni raku tuumas reguleerib taimeni jõudva valguse hulk.

Verelibled

Verelibled ehk vererakud (ladina keeles haemocytys) on paljude selgrootute hemolümfis ja selgroogsete veres ringlevate rakkude koondnimetus.

Vereliblede areng, eristumine, paljunemine, liikumine, morfoloogia , apoptoos ning patoloogia ( sh ebanormaalne eristumine) võivad erineda nii liigiti, indiviiditi kui ka arenguastmeti.

Paljude selgroogsete vererakud jaotatakse valge- ja punalibledeks ning vereliistakuteks.^[1]

Vasakult: punalible, vereliistak ja valgelible (lümfotsüüt) elektronmikroskoobi all vaadelduna

Vereliblede arv on normaalsetes tingimustes üsna püsiv väärtus, sest hävinenud rakud asenduvad uutega.

Vererakkude eellasrakud eristuvad juba blastotsüstistaadiumis.

Punalibled ehk erütrotsüüdid on vajalikud hapniku vastuvõtuks kopsudes ja äraandmiseks kudedes. Vereliistakud ehk trombotsüüdid sisaldavad aineid, mis on olulised vere hüübimisel ja veresoonte ahendamisel. Valgeliblede ehk leukotsüütide ülesandeks on kahjutustada organismile võõraid, peamiselt valgulisi ühendeid.

Vererakud on kantud kehtivasse inimese tsütoloogia ja histoloogia standardsõnavarasse Terminologia Histologica-sse.

Vakuool

Vakuool on taimede rakkude ning magevees ja osal merevees elunevate üherakuliste organismide organoid, mis täidab seedeelundi ülesandeid. See on seotud osmootse rõhu reguleerimise ja eritusega.

Vakuool kujutab endast membraaniga ümbritsetud põiekest, mis perioodiliselt ilmub tsütoplasmasse ja täitub vedelikuga. Tekkimise ajal haaratakse väliskeskkonnast toitaineid, mis vakuooli rändamise ajal raku sees imenduvad läbi membraani. Teises suunas, vakuooli sisse toimetatakse organismi elutegevuse jääkaineid. Lõpuks tühjeneb vakuool väliskeskkonda.

Vakuoolid on eriti omased taimerakkudele. Bakterites võivad vakuoolid sisaldada gaasi (gaasivakuool).

Rakus peab tekkima suurem osmootne rõhk kui väliskeskkonnas. Keskkonna soolsus raskendab seda ja seetõttu ei teki kõigil soolase vee olenditel rakkudes vakuoole.

Tsentraalvakuool

Tsentraalvakuool on taimerakus esinev suur vakuool, mis moodustub pisemate vakuoolide liitumisel.

Tsentraalvakuool taimerakus

Heterokroomia

Heterokroomia (ladina keeles heterochromia iridum või heterochromia iridis) on sündroom, mille avaldumisel ühe silma iirise värv erineb teise silma iirise omast või ühe silma iirisel esineb veel teine värvipigment.

Kodukass täieliku heterokroomiaga

Esineb kolme liiki heterokroomiat. Heterokroomia liigitatakse täielikuks, osaliseks ja tsentriliseks (nimetatakse ka ring-heterokroomiaks) aga viimase esinemistõenäosus on väike ja see liigitatakse osalise heterokroomia alla. Täieliku heterokroomia puhul on ainult ühe silma iiris erinevat värvi. Enamasti võib ühe silma iirises näha pruuni pigmenti või teise silma iirises sinist pigmenti. Osalise (tsentrilise) heterokroomia puhul esineb silmas mitu pigmenti korraga. Osalise heterokroomia esinemine võib iirises avalduda kas sektori või väiksema ala värvumisena.

Tekkepõhjused

Heterokroomia peamine tekkepõhjus on geneetilise mitmekesisuse puudmine, kuna sündroom on tingitud geneetilisest mutatsioonist, mis määrab melaniini jaotuse 8-HTP teel. Melaniini jaotumise puhul läheb mõlemasse silma erinev kogus melaniini, mis põhjustab iirise pigmendi muutuse.

Heterokroomia võib olla tavaline, komplitseeritud või omandatud. Tavaline heterokroomia on silmaiirise värvumine ilma kaasnevate terviseprobleemideta. Tavalise heterokroomia puhul on heterokroomia kaasasündinud ja tervislikke kõrvalekaldeid ei esine. Komplitseeritud heterokroomia võib avalduda haiguste puhul. Selle suurim esinemissagedus on Fuksi uveiidi sündroomi ja Waardenburgi sündroomi puhul. Waardenburgi sündroomi puhul avaldub heterokroomia pupilli ahenemise või silmamuna nihkumisena. Omandatud heterokroomia võib tuleneda silma mehaanilisest traumast, silmapõletikest, mõne preparaadi kasutamisel või metalliosakeste silma sattumisest. Rauakillu silma sattumisel võib tekkida sideroos ja iiris võib värvuda roostepruuniks. Vasekillu silma sattumisel võib tekkida halkoos ja iiris võib värvuda rohekassiniseks.

Kasside heterokroomia

Kassidel esineb 90% sagedusega täielik heterokroomia. Sektorilist heterokroomiat esineb väga harva. Kui inimestel avaldub heterokroomia üks kümne tuhande kohta, siis kassidel märksa rohkem. Nagu inimesel, nõnda ka kassil, ei tekita heterokroomia tervisekahjustusi, kui see on tekkinud pärilikkuse või mutatsiooni mõjul (va. valged kassid). Kasside heterokroomia võib tekkida elu jooksul ja seda põhjustavad erinevad tegurid. Enamasti tekib heterokroomia haiguste tõttu või nende avaldumise ajal. Nendeks haigusteks võivad olla diabeet, vähk või uveiit. Nagu inimesel, nõnda ka kassil, võib silma värv muutuda, kui talle on kaua manustatud preparaate või kui silma on sattunud metalliosake. Erand on valged kassid, kellel heterokroomia on väga ohtlik.

Valged kassid ja heterokroomia

Valgetel kassidel tekib heterokroomia väga ohtliku geeni tõttu, mida nimetatakse W-geeniks (white gene). See geen on dominantne ja letaalne, kui ta eksisteerib homosügootses vormis. See geen suurendab emakasisest hukkumist. Loote ellujäämisel võib geen tekitada heterokroomiat ja mõjutada kasside närvisüsteemi. Närvisüsteemi mõjutamise tulemusena võib W-geen tekitada kassile kurtust (enamasti ühest kõrvast, mis on sinise silma pool) ja ka nägemisprobleeme. Seetõttu võivad paljud valged kassid jääda kurdiks mõni aasta peale sündi.

Valged kassid on tavaliselt sinist või oranži värvi silmadega. On ka selliseid kassitõuge, kellel heterokroomia on tavaline tunnus ja paljudel neist on W-geeni vastu immuunsus, mis ei välista kurtust või emakasisest hukkumist. W-geeni vastu resistentsed kassitõud on Khao-Manee, Türgi angoora kass ja Türgi van. W-geen esineb kassidel, kelle keha on enam kui 60% ulatuses kaetud valge karvaga. Kui valgel kassil on kaks homosügootset WW alleeli, siis tema järglased on 100% valged, sõltumata tema partneri alleelidest. Wv geen ehk Van geen on W-geeni modifikatsioon, mis tekitab pea peale, kõrvadele või sabale valget värvi "krooni".

Heterokroomia ravi

Päriliku heterokroomiat ei ole võimalik ravida ja see ei kujuta tervisele ohtu. Kui inimest silmavärvuste erinevus siiski härib, on võimalik soetada värvilised kontaktläätsed. Elu jooksul tekkinud heterokroomia on ravitav. Tavaliselt alustatakse ravi steroididega (sõltub heterokroomia tekkimise põhjusest) ja kui tulemusi ei ilmne, siis ravitakse kirurgilisel teel. Ravi tulemusena muutub silmavärv tagasi endiseks.

Apoptoos

Apoptoos (kreeka keeles apoptosis '(lehtede) äralangemine') ehk programmeeritud rakusurm (ka loomulik rakusurm või ettemääratud rakusurm) on normaalse füsioloogiaga hulkraksete organismide rakkudes valdavalt rakkudesisene reguleeritud kompleksne süsteem, mille tööd reguleerivad nii geenid, retseptorid, transkriptsioonifaktorid kui ka rajad. Apoptoosi käivitudes DNA fragmenteerub, väheneb raku maht ja kaovad mitokondriaalsed funktsioonid. Toimub väiksemate rakumembraaniga kaetud osiste komplekteerimine, mis kohe fagotsütoosi käigus lagundatakse. Nii saab organism töödelda ja taaskasutada nii aegunud, vigaseid, muteerunud, liigsed või ebanormaalseid rakke, selleks et areneda, kasvada, paljuneda jms. Apoptoosi protsess võimaldab organismil kontrollida keha rakkude koguarvu. Apoptoos on omane enamikule hulkraksetele organismidele.

Tavalise täiskasvanud inimese organismis sureb apoptoosi tõttu ööpäevas 50 kuni 70 miljardit rakku. Et inimese kehas arvatakse olevat umbes 100 triljonit rakku, siis on see vaid umbes 0,06%. Uusi rakke sünnib mitoosi käigus umbes sama palju juurde.

Apoptoosil on oluline roll näiteks embrüo arengus, kus selle protsessi abil eemaldatakse varasemate evolutsiooniastmete tunnused, mis lootel arengu käigus tekivad. Samuti kujunevad tänu liigsete rakkude apoptootilisele surmale loote arengus sõrmede ja varvaste vahed.

Apoptoosi mittetoimumise korral võib organism areneda väärarengute, stigmade (näiteks sündaktüülia) või atavismidega (näiteks kolmas rinnanibu).

Rakus, mis sureb vastavalt apoptoosi mehhanismile, toimuvad kindlad biokeemilised ja morfoloogilised muutused, mille tulemusena laguneb rakk väikesteks osadeks, vesiikuliteks, mis on ümbritsetud rakumembraaniga. Raku tsütoplasma komponendid ei satu rakkudevahelisse ruumi, vaid makrofaagid lagundavad need. Apoptoositsükkel toimub väga kiiresti, 30-60 minuti jooksul. Apoptoos erineb teist tüüpi rakkude surmast nekroosist. 

Apoptoosi rajad, valk p53, apoptosoom jt molekulid

Apoptoosi üks käivitajatest on valk p53, mis kontrollib raku DNA seisukorda. Kui selle valgu funktsioon on kahjustatud, loomulik apoptoos ei saa käivituda võib tekkida rakkude kontrollimatu paljunemine – hea- ja pahaloomulised kasvajad. Peale rakusisese surma ahelreaktsiooni on olemas ka väline apoptoosirada, mille käivitavad T-rakud, mis omakorda käivitavad rakusisesed rajad. Teisisõnu rakk võib siirduda apoptoosile üksnes sisemiste radade kaudu või välimiste radade kaasabiga. Rada tähendab vastavate molekulide reaktsioone, mis ahelreaktsioonina viivad raku programmeeritud surmani. Üks tähtis rakusisene molekul, mis rakku surmateel, varajases apoptoosi faasis edasi aitab on mitokondrites sisemembraanis paiknev valk tsütokroom-c. Tavaliselt on selle molekuli funktsioon elektronide transportahelas elektronide edasi- ja ülekandmine. Kui apoptoos vallandub, moodustuvad mitokondri välismembraani valkudest Bax ja Bak kanalid, mille kaudu tsütokroom-c väljub mitokondrist raku tsütoplasmasse, mis viib nõndanimetatud apoptosoomi ja kaspaaside molekulide aktiveerimiseni. Kaspaasid viivad rakusurma lõpuni. Apoptoosi rada on keerulisem, detailiderohke, paljude molekulide koostöö. Vaid üldjoontes kulgeb rada ülalpool kirjeldatud viisil.

inimese apoptosoomi 3D struktuur.

Apoptoosi uurimine

2002. aastal said Sydney Brenner, Robert Horvitz, John E. Sulston Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna varbussi (Caenorhabditis elegans) rakkude arenguliinide koostamise eest, mille käigus täpsustati ka programmeeritud rakusurma toimemehhanismi.

Telomeer

Telomeer (vanakreeka sõnadest τέλος (telos) 'lõpp' ja μέρος (merοs) 'osa') on DNA ahela piirkond enamiku liikide eukarüootse raku kromosoomi kummaski otsas.

Telomeerid (valged) inimese kromosoomide (hallid) otstel

Telomeer

Telomeeri ülesanne on kaitsta kromosoomi otsi kahjustuse eest. Iga rakujagunemise käigus väheneb DNA ahela pikkus kromosoomi otstest just telomeeride piirkonnast, et kahjustada ei saaks geenid.

Telomeeride teine ülesanne on rakujagunemiste regulatsioon. Rakk on jagunemisvõimeline kuni telomeeride kriitilise pikkuseni; selle pikkuseni jõudes lakkab rakk jagunemast.

Telomeeride pikkus sõltub ka telomeraasi aktiivsusest. Telomeraasi RNA-komponent sisaldab telomeeri DNA-ga komplementaarset järjestust, mis toimib matriitsina telomeeri vastavate järjestuste sünteesimisel; nii saavad telomeerid tänu telomeraasile uueneda. Telomeraasi aktiivsus eri tüüpi rakkudes võib olla väga erinev. Tavalisest suurem telomeraasi aktiivsus on seotud ka vähi tekke ja arenguga. Ligikaudu 90% kasvajates on telomeraas tavalisest aktiivsem.

Uurimislugu

Telomeeri ja telomeraasi ehitus

Telomeerid esinevad peaaegu kõigil eukarüootsetel rakkudel. Prokarüootidel selline struktuur puudub, sest erinevalt eukarüootidest on neil rõngaskromosoom. Telomeerid koosnevad kuni mitmest tuhandest lühikese korduva struktuuriga järjestusest. Inimese puhul on nendeks TTAGGG järjestused, mis on omavahel seotud spetsiifiliste valkudega. Erinevatel organismidel on pisut erinevad järjestused. Näiteks on korduvaks järjestuseks putukatel TTAGG ja kõrgematel taimedel TTTAGGG. Guaniini (vastasahelas tsütosiini) on kordustes rikkalikult ja ühe korduse pikkus jääb enamjaolt vahemikku 6–8 aluspaari. Ka telomeeride pikkus varieerub olulisel määral, alates ligikaudu 300 aluspaarist pärmil kuni mitme tuhande aluspaarini inimesel. Telomeersed otsad ei ole sugugi lineaarsed, vaid moodustavad keerukaid struktuure, mida nimetatakse telomeeri lingudeks ehk T-lingudeks. Esmalt moodustub suur ring, mis on stabiliseeritud telomeeri seostusproteiinidega (TRF1). Telomeeri otsas olev üheahelalise DNA jupp on aga paardunud kaheahelalise telomeeri alaga, segades selle paardumist heeliksiks. Selle tulemusel tekib kolmeahelaline piirkond, mida nimetatakse T-linguks.

T-ling

Telomeraas on nukleoproteiin, mis inimesel sisaldab telomeraasi pöördtranskriptaasi aktiivsust (hTERT) ja telomeraas RNA-d (hTR). Pöördtranskriptaasid on sellised ensüümid, mis sünteesivad RNA-lt DNA-d. See on keskse molekulaarbioloogia dogma erand, sest tavaliselt sünteesitakse DNA-lt RNA ja RNA-lt omakorda valgud. hTR koosneb üheteistkümnest kordusega komplementaarsest aluspaarist ja käitub matriitsina pöördtranskriptaasile. Selle tulemusel lisatakse kromosoomi DNA 3´ otstele uusi kordusi.

Ülesanded

Telomeeride peamiseks ülesandeks on kompenseerida raku jagunemise käigus toimuvat kromosoomide lühenemist. DNA polümeraasi puuduste tõttu telomeeride pikkus väheneb replikatsiooni käigus 50–200 aluspaari. Seega tänu telomeeridele ei lähe kaduma rakule olulisi geenijärjestusi, vaid eemaldub jupp kordusjärjestust, mis valke ei kodeeri. Telomeer on tänu telomeraassele aktiivsusele võimeline pikenema. Telomeerid somaatilistes rakkudes ei pikene aga lõpmatuseni ja see annab telomeeridele veel teise ülesande, milleks on rakujagunemiste kontroll. Rakk teeb läbi teatud hulga jagunemisi, mis on eri rakutüübiti erinev ja on määratud telomeeride pikkusega. Mida pikem on telomeer, seda rohkem jagunemisi rakk saab läbi viia. Teatud punkti jõudes, kui telomeerid on lühenenud, jagunemine peatub ja rakk siseneb püsivasse kasvuaresti ehk vananemisfaasi. Seega on ka vananemine reguleeritud telomeeridega. Kui aga mingi mutatsiooni mõjul ei lõpeta rakk jagunemist ja telomeerid muutuvad kriitiliselt lühikeseks, tekib kromosomaalse ebastabiilsus ning algab apoptoos ehk programmeeritud rakusurm. Rakkudel, mis kogu organismi elu vältel paljunema peavad, on aktiivne telomeraas. Sellised rakud on näiteks idurakud ja vereloome tüvirakud. Enamikus somaatilistes rakkudes on telomeraas represseeritud ja see põhjustab rakkude piiratud jagunemisvõimet.

Telomeerid on vajalikud ka selleks, et rakkude jagunemist ei peatataks liiga vara. Nimelt toimib rakus kontrollsüsteem, mis tuvastades DNA lahtise otsa või katke, peatab rakujagunemise. Selline kontrollsüsteem on üldiselt vajalik vältimaks paljude mutatsioonide edasikandumist. Telomeerid katavad kromosoomi otsi nii, et kontrollsüsteem ei tuvasta neid DNA katketena. Telomeerid kaitsevad kromosoome ka tuumas olevate ensüümide lagundava toime eest. Samas on takistatud ka kromosoomide omavaheline kokkujäämine.

Telomeerid ja vähk

Seda, et telomeerid on seotud vähiga, pakuti välja juba 1990. aastal. 1994. aastal õnnestuski Christopher M. Counteril, Silvia Bacchettil, Calvin B. Harleyl koos kolleegidega McMasteri Ülikoolist näidata, et telomeraas on aktiivne vähkkasvaja rakkudes.

Juhul kui rakutsükli kontrollpunktid ei toimi korrektselt, võib rakk läbida rakujagunemise peatumise faasi ja jätkata jagunemist. Sellised rakud lähevad faasi, mida nimetatakse kriisiks. Kriisis on telomeerid lühenenud, aga rakud püüavad endiselt jaguneda. Selles faasis on rakkude jagunemine ja suremine tasakaalus. Lühenenud telomeeridega rakkude kromosoomid muutuvad ebastabiilseks. Mitmed kromosomaalsed ümberkorraldused hakkavad toimuma. Sellised suured muutused võivad viia kasvaja supressormehhanismide kaoni, apoptoosist hoidumiseni ja ka telomeraasi uuesti aktiivseks muutumiseni. Kui telomeraas on taasaktiveeritud või rohkem aktiivne, siis see võib viia rakkude seas erinevate tulemusteni. Esiteks, kui telomeraasi ei produtseerita piisavalt, siis pole need rakud võimeliselt pikaajaliselt jagunema ja suurt pahaloomuliste vähirakkude hulka ei moodustu. Teiseks, telomeraasi toodetakse liias, sel juhul telomeerid pikenevad kiiresti. Selliseid olukordi tekib reaalses elus aga suhteliselt harva, seda esineb vähem kui 10% vähkidel. Kõige sagedasem on olukord, kus telomeeride pikkus vähirakkudes on sama või väiksem kui vastava normaalse koe rakkudes. Sel juhul areneb pahaloomuline kasvaja.

Telomeraasi on leitud ligikaudu 90% kasvajarakkudes ja see on sageli ka 10–20 korda aktiivsem kui tavalistes rakkudes. Telomeraasi abil saavutavad rakud surematuse. Kui rakud paljunevad kontrollimatult, võivad need tungida lähedastesse kudedesse ja neid kahjustada. Mõned kasvajarakud võivad kehas liikuda uutesse piirkondadesse ja algatada uute kasvajate arengu.

Teraapiad

Kuna telomeraas ei ole aktiivne enamikus tavalistes inimese rakkudes, siis püüavad mitmed teadlased üle kogu maailma välja töötada telomeraasi abil toimivat vähiteraapiat. Proovitakse eri viisidel inhibeerida telomeraasi. Mitu strateegiat, mis on suunatud kas telomeraasi RNA komponendi (hTR) või katalüütilise ühiku (TERT) vastu, on praegu jõudnud kliiniliste katsete faasi. hTR-le suunatud ravi toimub antisense oligonukleotiidide ja ribosüümide abil. Antisense oligonukleotiidid on komplementaarsed osaga hTR-ist ja seetõttu oligonukleotiid paardub hTR-ga. See takistab telomeraasi seondumist telomeerile või hoopis algatab RNA lagundamise. Ka ribosüüm seondub komplementaarsuse alusel ja lagundab RNA-d. hTERT-i inhibeerimiseks kasutatakse erinevaid pöördtranskriptaasi inhibiitoreid, näiteks BIBR1532, mis on sünteetiline molekul, kuid inhibeerivaid komponente on leitud ka puuvõrgus ja rohelises tees.

Tsütopaatiline efekt

Tsütopaatiline efekt, ka tsütopatogeenne efekt (inglise keeles Cytopathic effect, lühendatult CPE), on viiruslikust infektsioonist põhjustatud struktuursed muutused peremeesrakus. Selline efekt ilmneb siis, kui nakatav viirus lüüsib raku või kui rakk ise ei suuda enam jaguneda ja sureb. Kui selliste morfoloogiliste muutuste taga on viirus, on tegemist tsütopatogeense viirusega. Kõige tavalisemad näited tsütopatogeensest efektist on peremeesraku ümardumine, kõrvalolevate rakkude liitumine üheks hulktuumseks rakuks ehk sünsüütsiumiks ning nukleaarsete või tsütoplasmaatiliste inklusioonkehakeste moodustumine.

Herpes simplex viiruse tsütopaatiline efekt, näha mitmetuumsus. Värvitud Pap-värvimise protokolli järgi

Tsütopaatilise efekti ülesanne

Viiruslike komponentide sünteesi ajal toimuvad rakus erinevad morfoloogilised ja biokeemilised muutused. Selliseid iseloomulikke muutusi on kõige parem vaadata koekultuuris, kus saab sünkroonida rakkudega nakatamist viirusega. Samuti saab koekultuuris kasvatatud rakke uurida lihtsasti ja kiiresti ka infektsiooni käigus. Morfoloogilisi muutusi rakkudes viirusega nakatumise ajal nimetatakse tsütopaatiliseks efektiks. Selle eest vastutav viirus on aga tsütopatogeenne. See, kui tugev on tsütopaatiline efekt, sõltub viirusest, peremeesrakkudest, infektsiooniliste partiklite arvukusest (inglise keeles multiplicity of infection, lühendatult MOI) ja veel muudest teguritest. Mõned viirused põhjustavad väga madalat tsütopaatilist efekti oma looduslikes peremeesrakkudes. Selliste viiruste olemasolu rakkudes saab kontrollida ainult hemadsorptsiooniga või interferentsiga, Mõned viirused aga põhjustavad pärast infektsiooni täielikku ja kiiret peremeesraku üksikkihi hävinemist. Kuna viiruste põhjustatud tsütopaatiline efekt on spetsiifiline, siis on võimalik selle kaudu tuvastada tundmatuid viirusi. Idee klassifitseerida viirusi tsütopaatilise efekti järgi pakkus 1954. aastal välja J. F. Enders. Tema rühmitas viirusi järgmiselt:

• need, mis põhjustavad raku degradatsiooni;
• need, mis põhjustavad inklusioonkehakeste moodustumist ja rakkude degradatsiooni;
• need, mis põhjustavad hulktuumsete rakkude moodustamist;
• need, millel ei esine nähtavat tsütopaatilist efekti.

Kuigi selline informatsioon on jätkuvalt oluline, on tänapäeval olemas paremaid mehhanisme viiruste klassifitseerimiseks.

Tsütopaatilise efekti tüübid

Täielik hävitamine

Peremeesraku monokihi täielik hävitamine on tsütopaatilise efekti kõige raskem vorm. Selle uurimiseks külvatakse rakud üksikkihina pinnale, näiteks Petri tassile, nii, et nad kataksid seda täielikult. Saadud rakkude kiht nakatatakse viirusega. Kõik rakud ja nende tuumad tõmbuvad kokku ning vabanevad tassi küljest kolme päeva jooksul. Selline tsütopaatilise efekti tüüp on iseloomulik enteroviirustele.

Osaline hävitamine

Sarnaselt totaalse hävitamisega uuritakse seda nii, et külvatakse rakud üksikkihina Petri tassile ja oodatakse, et tass kasvaks täiesti täis, ning siis nakatatakse viirusega. Siin ilmneb tsütopaatiline efekt rakkude osalises lahtitulekus ja hävinemises. See on omane togaviirustele, mõnedele pikornaviirustele ja paramüksoviirustele.

Fokaalne degeneratsioon

Fokaalne degeneratsioon põhjustab lokaalset rünnakut peremehe rakkude üksikkihile. Selline tsütopaatiline efekt võib küll lõpuks koe hävitada, aga algsed staadiumid ja viiruse levik toimuvad rakkude sees lokaliseerutud viiruslikes keskustes. Selline tsütopaatiline efekt põhjustab peremeesrakkudes iseloomulikke muutusi. Rakud suurenevad, muutuvad ümaraks ja refraktiilseks. Lõpuks tulevad peremeesrakud pinna küljest ka lahti. Viiruse levik toimub nii, et lahtitulevad rakud on ümbritsetud suurenenud ümarate rakkudega, mis on ümbritsetud tervete kudedega. Sellist tsütopaatilist efekti võib näha herpesviirustel ja poksviirustel.

Paisumine ja kokkukleepumine

Paisumine ja kokkukleepumine on selline tsütopaatiline efekt, mille tagajärjel rakud paisuvad märgatavalt. Suurenedes rakud kleepuvad omavahel kokku ja moodustavad klastreid, mis näevad välja nagu viinamarjakobarad. Lõpuks tulevad rakud ka pinna küljest lahti. Selline tsütopaatiline efekt on omane adenoviirustele.

Vahutav degeneratsioon

Vahutav degeneratsioon (teisiti öeldes ka vakuoliseerumine) on degeneratsioon, mille tagajärjel moodustuvad suured ja/või arvukad vakuoolid peremeesraku tsütoplasmasse. Mitmed viiruste perekonnad, kaasa arvatud mõned retroviirused, paramüksoviirused ja flaviviirused võivad põhjustada sellist efekti. Vakuoliseerumist on keeruline näha ilma värvimiseta.

Rakkude integratsioon ehk sünsüütsium

Rakkude integratsioon ehk sünsüütsium hõlmab nelja või enama raku kokkusulamist üheks, moodustades mitmetuumse raku. Väikesed sünsüütsiumid on nähtavad ainult pärast värvimist. Mõnede paromüksoviiruste jaoks on see ainus tsütopaatilise efekti vorme. Seda kasutavad veel ka herpesviirused, kuid neil esineb ka muid vorme. Rakkude integratsiooni tuleb eristada lihtsalt kokkukleepumisest või klastrite moodustumisest.

Inklusioonkehakesed

Inklusioonkehakesed on alad rakus, mis värvuvad valikuliselt. Neid ei saa näha elusrakkude kultuuris. Selline tsütopaatiline efekt on sõltuv nakatava viiruse tüübist. Kehakesed võivad esineda üksikult või mitmekesi koos, olla suured või väikesed, ümarad või ebaregulaarse kujuga, tuumasisesed või tsütoplasmaatilised, eosinofiilsed (värvuvad roosalt) või basofiilsed (värvuvad sinakaslillalt). Võib esineda ka kromatiini marginatsioon, mille puhul põhjustab värvimine peenikese joone ümber tuuma. Enamasti näitavad inklusioonkehakesed alasid rakus, kus sünteesitakse viiruse valke või nukleiinhappeid või kohti, kus pannakse kokku virione. Mõnedel juhtudel pole inklusioonkehakeste tekkimiseks vajalik aktiivse viiruse olemasolu, sest need võivad näidata ka viiruslike armide asukohti.

Diagnostika

Mõnede viiruste tsütopaatilised efektid on ainult neile omased ning seetõttu on olulised vahendid viroloogidele diagnoosimaks nakatunud loomi ja inimesi. Viiruste identifitseerimiseks on oluline ka tsütopaatilise efekti ilmnemise tase. Kui see ilmneb koekultuuris 4–5 päeva pärast nakatumist madalama infektsiooniliste partiklite arvuga (MOI), siis võib öelda, et viirus replitseerub aeglaselt. Kui aga samadel tingimustel ilmneb 1–2 päevaga, siis loetakse sellist viirust kiiresti replitseeruvaks. Siiski tuleb arvestada, et kultuure inokuleeritaks madalama MOI-ga, sest kõrge MOI puhul ilmnevad kõik tsütopaatilised efektid kiiresti.

Esimene märk viiruslikust infektsioonist on rakkude ümardumine. Tihti ilmnevad pärast seda peremeesraku tuumas ja/või tsütoplasmas inklusioonkehakesed. Neid saab tuvastada valgusmikroskoopiaga patsiendi verest või spetsiifiliselt värvitud nakatunud koetüki lõigust. Siiski selleks, et näha tsütopaatilise efekti kõiki omadusi, on vaja kasutada elektronmikroskoopi. Inklusioonkehakesed võivad olla viiruse replikatsiooni kõrvalsaaduste kogumid või peremeesraku moondatud struktuurid. Mõned viirused põhjustavad ka sünsüütsiumite moodustumist. Need on suured tsütoplasmaatilised massid, mis koosnevad hulktuumsetest rakkudest. Need on tavaliselt põhjustatud nakatunud rakkude integratsioonist. Selle mehhanismi kaudu saab viirus liikuda nakatunud rakust nakatumata rakkudesse.

Kuna peremeesrakkudes tekkivad tsütopaatilised efektid on viirusspetsiifilised, saavad uurijad kasutada neid eksperimentides erinevuste väljatoomiseks. Paljud viirused annavad erineva vastuse, kasutades teist peremeesraku liini. Samuti saab tsütopaatilist efekti kasutada ka laboris paljundatavate rakuliinide puhtuse kontrollimiseks.

Telomeraas

Telomeraas on ribonukleoproteiinist ensüüm, mis lisab telomeerse järjestuse TTAGGG eukarüootsete kromosoomide DNA 3'-otstesse.

TERT struktuur

Telomeer (kreeka keeles τέλος telos 'lõpp' + μέρος merοs 'osa') on DNA ahela piirkond, mis asub kromosoomi otstes. Telomeeri ülesandeks on kaitsta kromosoomi otsi kahjustuse eest.

Ajalugu

Telomeraas avastasid Carol W. Greider ja Elizabeth Blackburn aastal 1984 ripsloomas Tetrahymena. Oma avastuse eest said Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider ja Jack W. Szostak aastal 2009 Nobeli füsioloogia-meditsiiniauhinna.

Aastal 1981 alustas Blackburn, kes oli selleks ajaks juba iseseisev uurija, koostööd Jack Szostakiga, et demonstreerida, kuidas on võimalik üle kanda telomeeride funktsiooni ühelt organismilt teisele. Uurimuses kasutasid nad Tetrahymena't ja Saccharomyces cerevisiae'd. See uurimus näitas, et osa telomeeride funktsiooni on võimalik üle kanda. Aastal 1985 identifitseerisid Blackburn ja Carol Greider ensümaatilise aktiivsuse, mis võimaldas telomeeride järjestust pikendada. Nimelt kuulus see aktiivsus ribonukleoproteiinile ja nad nimetasid selle telomeraasiks. RNA osa oli komplementaarne telomeeride kordusjärjestusele.

Vaatamata telomeraasi ilmselgele tähtsusele ilmus vaid paar artiklit enne aastat 1995. Põhiliselt tänu inimrakkude telomeraasi väga madalale aktiivsusele. Aastal 1994 töötasid Shay, Wright ja kaastöölised välja lihtsa PCR meetodi (TRAP), mis tugevasti suurendas telomeraasi aktiivsuse leidmist.

Inimese telomeraasi struktuur

Telomeraas koosneb suurest RNA alamühikust (hTR) ja valgulisest katalüütilisest alamühikust hTERT. See, kas telomeraas funktsioneerib monomeeri või dimeerina, pole veel kindlaks tehtud ning pakub palju alust aruteluks. On näidatud, et telomeraas töötab alamühikutega ning seob endale kaks telomeerset DNA substraati. Katalüütiline aktiivsus on võimalik vaid siis kui mõlemad TERT aktiivsaidid on funktsionaalsed. See näitaks teooria järgi, et tegemist on dimeerse funktsionaalsusega.

Alamühik hTR sünteesitakse geenist nimega TERC, seevastu hTERT aga geenist nimega TERT. Komponent hTR võimaldab koostada nukleotiidset järjestust, mida telomeraas lisab kromosoomide otstesse. hTERT komponent lisab seejärel need osad vajalikku kohta.

Funktsioon

Igal rakujagunemisel tuleb igat kromosoomi replikeerida. Iga väike replikatsiooni viga kromosoomi struktuuris jääb püsima ning need vead kantakse edasi järgmistel jagunemistel, mille tõttu on DNA kaotamine üsnagi tõsine probleem. Kui DNA ahela lõpp jääb igal jagunemisel kopeerimata, on tagajärjeks telomeeride lühenemine. Telomeraasi aktiivsus hoiab ära DNA ahela lõpu mittekodeerimise rakutsükli käigus, lisades lõppu vastava järjestuse.

Telomeraas lisamas telomeeride lõppudele vastavat järjestust

Telomeraasi regulatsioon

Enamikus inimkoes on telomeraasi aktiivsus märkamatu. Mõned uuringud on näidanud, et mitogeense stimulatsiooniga inimese T-lümfotsüüdid aktiveerivad telomeraasi lühiajaliselt, et vähendada telomeeri kadu leviku ajal. Normaalses rakus on see siiski mööduv nähtus, kestes konstantse stimulatsiooniga vaid mõned päevad. Hetkel on täpne regulatsioon normaalses rakus,näiteks T-lümfotsüüdis, teadmata. Samuti on selgusetu, kuidas vähirakud regulatsiooni jäljendavad.

Telomeraas ja tüvirakud

Tüvirakkude funktsioon paistab muutuvat vanuse suurenemisel ja sellel võib olla seos telomeeride lühenemisega. Ka tüvirakkudes toimub telomeeride lühenemine vananedes, samas embrüonaalsetes tüvirakkudes seda ei toimu. See tuleneb kõrgest telomeraasi aktiivsusest embrüonaalsetes tüvirakkudes. Kõikides tüvirakkudes on küll telomeraasne aktiivsus, kuid see pole alati piisavalt kõrge, et säilitada telomeeride pikkus. Väga vähe on teada telomeraassest aktiivsusest proliferatiivsetes tüvirakkudes.

Seos meditsiiniga

Telomeraas ja vähk

Pärast telomeraasi avastamist hakati ensüümi uurima rohkem. Ka inimestel on telomeerid ja need koosnevad järjestusest TTAGGG. Aastal 1989 avastas Gregg Morin telomeraasi aktiivsuse inimrakkudes. Tema avastus oli väga oluline. Nimelt on inimestel palju vähem telomeere kui Tetrahymenal ja telomeraasi aktiivsus palju madalam. Morinil oli hüpotees, et surematul rakkude kultuuril on telomeraasi ekspressiivsus ning lõi meetodeid telomeraasi aktiivsuse eraldamiseks. Nagu Tetrahymeni telomeraas, oli ka inimese telomeraas ribonukleoproteiin. Ensüümi aktiivsust nähti palju ka munasarja kasvajarakkudes. Mitte aga isogeensetes healoomulistes rakkudes, rõhutades, et telomeraasi taasaktivatsioon võib olla seotud vähirakkude kasvamisega.

Telomeraasi inhibiitorid

Vähirakkude üheks omaduseks on lõpmatu jagunemine, mis on soetud telomeraasi taasaktiveerimisega. Kuna enamik vähirakke ekspresseerivad telomeraasi, et telomeeride pikkus ei segaks jagunemist, on kindel, et telomeraasi inhibiitorite uurimine on ülimalt vajalik edasiseks vähi uurimiseks ja ravi väljatöötamiseks.

Telomeraasipõhine teraapia

Kaugele arenenud vähiga inimeste ravi on hetkel kas kasvajate kirurgiline eemaldamine, keemiaravi, kiiritusravi või nende kolme kombinatsioon. Ideaalne vähiravi oleks otsene vähirakkude eemaldamine normaalseid rakke häirimata. Kuna praegu tundub, et normaalsetes rakkudes on telomeraasi aktiivsus madal või olematu ja vähirakkudes seevastu väga kõrge on paljude vähiuuringutega tegelevates laborites eesmärk leida ravi just selline, mis ründaks kõrge telomeraasi aktiivsusega rakke. Telomeraasne aktiivsus põhimõtteliselt puudub somaatilistest rakkudest, mistõttu pakuks telomeraasipõhine teraapia ideaalis väga suurt spetsiifilisust, väiksemat toksilisust ja vähem kõrvalnähte.

Immunoteraapia

Telomeraasi aktiivsuse farmakoloogiliste inhibiitorite otsimine on paljulubav lähenemine töötamaks välja telomeraasi baasil teraapiat vähi vastu. Vaatamata sellele on lootust andev ka immunoteraapia vähi vastu, kasutades telomeraasi pöördtranskriptaasi hTERT-i. Info nii inimeste kui ka teiste organismide rakkudest näitab, et tsütotoksilised T-lümfotsüüdid tunnevad ära TERT toodetud peptiide ning tapavad TERT-positiivse kasvajaraku.

Südamehaigused, diabeet ning elukvaliteet

Mitmed uuringud on näidanud, et krooniline stress on seotud telomeeride lühenemisega ja huvitaval kombel ka telomeraasi aktiivsuse nii vähenemise kui ka suurenemisega. Selle toimemehhanism pole seni teada, kuid on selgeks tehtud, et telomeerid muutuvad aja möödudes ning telomeraasi aktiivsus võib kõikuda.

Hiirtes on märgatud, et telomeraasi puudus võib tekitada diabeeti seoses insuliini tootvate rakkude kaoga.

Elizabeth H. Blackburn avastas veel, et emad, kes hoolitsevad väga haigete laste eest, omavad lühemaid telomeere. Emotsionaalse stressi tipus on telomeraas arterite koes aktiivne, põhjustades tõenäoliselt südamerabandust.

Haruldased haigused

On tõestatud, et mutatsioonid geenis TERT annavad võimaluse aplastilise aneemia välja kujunemiseks. Aplastiline aneemia on haigus, kus luuüdi lõpetab vererakkude tootmise.

Kassikisa sündroom (CdCS) on kompleksne haigus, mis tekib viienda kromosoomi lühikese õla kustumisel. Geen TERT asub kustunud alas ja vastava geeni ühe koopia kaotamine on haiguse põhjustamisel üks faktoreid.

Vesiilikul

Vesiikul on suhteliselt väike tavaliselt veega täidetud põieke raku tsütoplasmas. Vesiikulid on rakusisusest eraldatud rakumembraaniga. Vesiikulite ülesanne on ainete transport või säilitamine raku sees.

Fosfolipiidse kaksikkihiga ümbritsetud vesiikul vesilahuses

Vesiikulid osalevad raku elutegevuseks vajalike ainete, näiteks vitamiinide, lipiidide, kolesterooli, raua ja makromolekulide transpordis rakus. Vesiikul on üldjuhul ümbritsetud fosfolipiidse kaksikkihiga nii, et membraani südamikku on koondunud hüdrofoobsed rasvhappeahelad. Hüdrofiilsed pead paiknevad vesiikuli tsentri ja tsütosooli poolel.

Vesiikulid võivad moodustuda rakus loomulikult, näiteks endotsütoosi käigus, kuid neid saab tekitada laboris kunstlikult. Sel viisil loodud vesiikuleid kutsutakse liposoomideks ning neid kasutatakse mudelmembraanidena eksperimentaalseteks uuringuteks. ^[1] Vesiikulite membraani koostis on sama mis raku plasmamembraanil. Seetõttu saavad vesiikulid liituda nii raku plasmamembraani kui ka erinevate organellide membraanidega. Ekso- ja endotsütoosi puhul eraldatakse vastavad makromolekulid vesiikulisse ning nad ei segune teiste tsütoplasmas olevate molekulidega. Vesiikulid võivad kuuluda näiteks Golgi aparaadi koosseisu.

Vesiikuli funktsioon sõltub selle sisaldistest. Iga vesiikul on määratud ühinema ainult kindla membraaniga. Tulemuseks on makromolekulide suunatud liikumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel. Sarnane protsess toimub ka transportvesiikulite vahendatud karedal endoplasmaatilisel retiikulumil ehk ER-il sünteesitud valkude liikumisel Golgi kompleksi. Valke sisaldav vesiikul eraldub ühest kompartmendist ja ühineb seejärel teise kompartmendi membraaniga. ^[2] Eukarüootses rakus toimub pidevalt vesiikulite eraldumine ühelt membraanilt ning liitumine mõne teise membraaniga. Vesiikulid kannavad seejuures kaasas membraanide struktuurses koostises olevaid komponente ja vees lahustuvaid molekule. Kogu selline membraansete komponentide vaheldumine kulgeb mööda kõrgelt organiseerunud ning kindla suunaga molekulaarseid radu, mis lubavad rakul modelleerida plasmamembraani.

Kogu selle protsessi juures ei tohi raku pindala ning ruumala muutuda. Seetõttu on ekso- ja endotsütoos tasakaalus: endotsütoosi teel membraani materjal sopistub, eksotsütoosi teel saab ta selle tagasi. Enamikul rakkudel tekivad kaetud vesiikulid juhuslikes kohtades, nii et membraani sopistumine toimub üle terve raku pinna. Raku ekso- ja endotsütoosi rajad on ruumiliselt lahutatud.

Vesiikulite tüübid

Iga vesiikul peab olema selektiivne – see peab haarama endasse õiged molekulid ja peab liituma õige sihtmembraaniga, näiteks ei tohi vesiikul, mis kannab aineid Golgi kompleksist plasmamembraanile, haarata kaasa aineid, mis peavad jääma Golgi kompleksi koostisse. Lisaks peab see vesiikul liituma ainult plasmamembraaniga ja mitte ühegi teise organelliga. Vastavalt ekso- ja endotsütoosile jaotatakse vesiikulid järgmiselt: transportvesiikulid ja sekretoorsed vesiikulid.

Transportvesiikulid

Transportvesiikulid osalevad ainete transportimises erinevate organellide vahel raku sees, näiteks transpordivad vesiikulid valke karedapinnaliselt ER-ilt Golgi kompleksi.

Sekretoorsed vesiikulid

Sekretoorsed vesiikulid osalevad ainete transpordis raku sisekeskkonnast väliskeskkonda. Need ained on valdavalt raku elutegevuse jääkproduktid, mida ei ole rakus enam vaja. Mõned eukarüootsed rakud on spetsialiseerunud eritama keemilisi aineid. Sel juhul kogutakse need aineid sekretoorsetesse vesiikulitessse, mida rakk eritab alles vastusena väliskeskkonna tugevale ärritusele. Näiteks kasutavad sekretoorseid vesiikuleid närvirakud, mis vastusena aksonist saadud signaalile vallandavad vesiikulite abil neurotransmittereid.

Vesiikulite moodustumine ja transport

Kaetud vesiikulite pungumine

Pinotsütoos skemaatiliselt

Enamik transportvesiikuleid moodustub plasmamembraani spetsiaalsest osast, mis on kaetud valkudega. Pinotsütootilised vesiikulid moodustuvad plasmamembraani piirkonnas, mida nimetatakse kaetud lohuks (coated-pit). See piirkond sopistub ja moodustub nn kaetud vesiikul (coated vesicle). Kaetud vesiikuli eluiga on lühike: sekundite jooksul pärast lähtemembraani küljest vabanemist kaob talt kate ja ta on valmis ühinema endosoomiga.

"Kattel" on kaks põhilist funktsiooni:

1. koondab spetsiaalsed valgud, mis aitavad vesiikulil membraanist eralduda;
2. vormib vesiikuli.

Kirjeldatud on kolme eri tüüpi vesiikulite "katteid", mis määravad liikumise raja organellide vahel:

Katte tüüp	Organell
Klatriin	plasmamembraan -> Golgi kompleks
COPI	Golgi kompleks -> ER
COPII	ER -> Golgi kompleks

Klatriin on proteiin, mis koosneb kolmest pikast ja kolmest lühikesest polüpeptiidahelast. Need ahelad moodustavad omakorda triskeletid, mis assambleeruvad heksagonaalsete võredena ümber vesiikuli. Vesiikulite moodustumisel mängivad tähtsat rolli retseptormolekulid, mis paiknevad klatriinkatte ja lipiidse membraani vahel. Retseptorid seovad klatriini membraani külge ja püüavad kinni transmembraansed valgud. Viimaste hulka kuuluvad ka spetsiifilised retseptormolekulid, millega ümbritsevas keskkonnas olev molekul kõigepealt seostub. Näiteks trans-Golgi membraanis paiknev mannoos-6-fosfaadi retseptor tunneb ära lüsosomaalsed ensüümid, mis pakitakse eraldi vesiikulisse ja saadetakse endosoomi. Cis-Golgis tunneb retseptor ära valgud, mis kannavad KDEL järjestust ning need saadetakse tagasi ER-i. Ajal, mil vesiikul kasvab, moodustavad valgud (näiteks dünamiin) ümber vesiikuli kaela (osa, mis on ühenduses lähtemembraaniga) rõnga, mis eemaldab vesiikuli membraani küljest. Dünamiin seostub teiste valkudega, mis moonutavad koos lipiide modifitseerivate ensüümidega plasmamembraani. Hetkel, mil vesiikul eemaldub lähtemembraanist, laguneb ka klatriinkest.

Vesiikuli liitumine sihtmembraaniga

Tsütoplasmas liigub korraga väga palju vesiikuleid. Seega püsib oht, et mõni neist võib liituda vale membraaniga enne, kui ta leiab õige. Kõik vesiikulid peavad olema spetsiifilised, et nad tunneksid ära õige membraani, millega liituda. See on tagatud vesiikuli pinnal olevate markeritega, mis tuvastavad neid vastavalt päritolule ja koostisele. Need markerid seonduvad konkreetsete retseptoritega sihtmembraanis.

Kogu see protsess sõltub kahest valgutüübist:

1. Rab-valkudest – vahendavad vesiikuli sihtmembraaniga ühinemist
2. SNARE-valkudest – vahendavad vesiikuli liitumist sihtmembraaniga ja transporditava aine vabastamist

Rab-valkude perekonda kuulub enam kui 60 liiget. Iga Rab-valk seondub ühe või enama organelli membraaniga ja igal organellil on tsütosoolipoolses alas vähemalt üks Rab-valk. Rab-valgud on GTP-st sõltuvad. GDPga seondunult on Rab-valgud inaktiivsed ja seostunud mõne teise valguga, mis hoiab Rab-valku tsütosoolis lahustatult. GTPga seondunult on Rab aga aktiivne ning tihedalt seondunud organelli või vesiikuli membraaniga. Aktiivses olekus Rab-valk seostub Rab-efektoriga, mis vahendab vesiikuli transporti, membraanide ühendumist ja liitumist. Üks Rab-valk võib seonduda mitme erineva efektoriga.

Iga Rab-valk seondub konkreetse organelliga

Rab-valk	Organell
Rab1	ER ja Golgi kompleks
Rab2	cis-Golgi kompleks
Rab3A	sünaptilised vesiikulid
Rab4/Rab11	endosoomid
Rab5A	plasmamembraan, klatriiniga kaetud vesiikulid
Rab5C	varajased endosoomid
Rab6	trans-Golgi tsiternid
Rab7	hilised endosoomid
Rab8	varajased endosoomid
Rab9	hilised endosoomid, trans-Golgi võrgustik

SNARE-valgud katalüüsivad vesiikuli liitumist membraaniga vesikulaarsel transpordil. Nad aitavad kaasa vesiikuli spetsiifilisusele, sest hoolitsevad selle eest, et konkreetne vesiikul liituks õige membraaniga. SNARE perekonda kuulub loomadel teadaolevalt vähemalt 35 liiki valke, millest igaüks seondub spetsiifilise organelliga. Transmembraansed SNARE-valgud on komplementaarsed – vSNAREd vesiikuli ja t-SNAREd organelli membraanis. vSNARE on üheahelaline polüpeptiid ja t-SNARE koosneb kahest või kolmest valgust. Nende kahe SNARE ühinemisel toimub peptiidahelate omavaheline keerdumine nii, et moodustub stabiilne neljaheeliksiline põimik. Membraanide liitumine ei toimu alati kohe pärast seda, kui vSNARE ja t-SNARE ühinevad, näiteks reguleeritud eksotsütoosi puhul käivitab liitumise spetsiifiline rakuväline signaal.

Fosfolipiidse kaksikkihi liitumine toimub mitmes etapis.

1. Tekib tugev paardumine vSNARE ja t-SNARE vahel, mis tõmbab membraanid lähestikku ning surub nende vahelt välja vee molekulid.
2. Vesiikuli ja organelli membraanide esimene lipiidide kiht valgub omavahel kokku. Moodustub membraane ühendav sild.
3. Lipiidse membraani teised kihid ühinevad omavahel. Vesiikuli ja organelli membraanid ühinevad.

Rab-valk reguleerib t-SNARE kättesaadavust. t-SNARE-valgud on sihtmembraanis tihtipeale seondunud inhibiitoritega, mis peavad t-SNARE funktsioneerimiseks vabanema. Rab-valgud ja efektorid vahendavad selliste SNARE inhibiitorite vabanemist. Selleks, et vesiikul saaks ühineda mõne teise membraaniga, on vaja õigeid SNARE ja Rab-valke.

Vesikulaarne transport

Vesiikulite vahendatud ainete transport on kõrgelt organiseerunud ja kindla suunaga. Primaarne sekretoorne rada kulgeb ER-ist Golgi kompleksini ning seejärel raku pinnale, samas kui sekundaarne rada viib aga lüsosoomideni. Endotsüütiline rada kulgeb aga plasmamembraani pinnalt raku sisse. Mõlemal juhul on vesikulaarne transport tasakaalustatud vastassuunalise transpordiga, mis aitab tuua vesiikuli membraani ja selle koostises olevaid valke tagasi lähteorganelli membraani.

Vesikulaartranspordil võib eristada kolme põhilist suunda:

1. Konstitutiivne sekretoorne suund – valk, mis satub ER-i (membraani või valendikku), liigub läbi Golgi kompleksi ning jõuab raku välispinnale. Arvatakse, et see toimub ilma spetsiaalse signaalita. Kõik valgud, mis ER-i satuvad ja millel pole küljes signaaljärjestusi, mis neid mingis kompartmendis kinni hoiaksid, saadetakse automaatselt raku välismembraanile või rakust välja.
2. Lüsosomaalne suund – lüsosoomi sattumiseks peavad vastavad valgud saama spetsiaalselt märgistatud. Mannoos-6-fosfaat on lüsosomaalsete ensüümide marker. Seda markerit kandvad valgud kallutatakse kõrvale sekretoorselt suunalt ja saadetakse läbi endosoomi lüsosoomi.
3. Reguleeritud sekretoorne suund – on olemas spetsialiseeritud rakkudes, kus esineb nn kontrollitud eksotsütoos. Vastavatel valkudel peavad olema analoogsed signaaljärjestused mannoos-6-fosfaadiga, mis määrab ära nende saatmise trans-Golgi kompleksi sekretoorsetesse vesiikulitesse.

Kõik ER-i membraani või selle valendikku sattunud valgud lõpetavad oma teekonna vastavalt kas raku välismembraanis või rakku ümbritsevas keskkonnas, juhul kui puuduvad signaaljärjestused, mis sunniksid valku kuskil peatuma või sellelt teelt kõrvale kalduma. Valkude sisenemist ER-i ja liikumist läbi Golgi kompleksi raku välispinnale transportvesiikulite abil nimetatakse klassikaliseks sekretoorseks rajaks.

ER-i ja Golgi kompleksi valendikud on topoloogiliselt ekvivalentsed raku väliskeskkonnaga. Nad on omavahel pidevas ühenduses transportvesiikulite abil, mis punguvad ühest kompartmendist ja ühinevad järgmisega. Vesiikulite liikumine on täpselt organiseeritud, see toimub ER-ilt Golgi kompleksi suunas ja sealt raku välispinnale.

Vaatamata sellele, et sekretoorse raja organellidest käib läbi pidev membraanikomponentide vool, peavad nad säilitama oma identsuse.