Ioonikanal

Ioonikanal ehk ioonkanal on transmembraanne valk, kus membraani läbivatest valgumolekulidest moodustub kanal ehk poor. Ioonikanalid aitavad tekitada ja kontrollida elektrilist gradienti läbi kõikide elusrakkude rakumembraani (vt puhkepotentsiaal), võimaldades ioonide liikumist mööda elektrokeemilist gradienti (näit närviimpulsi teke ja ülekanne).

Alametitsiini ioonikanal

Ioonikanal avaneb (näiteks ligandi toimel) ning laseb perioodiliselt ja väga valikuliselt läbi teatud ioonid või ühe või mitu aniooni või katiooni.

Üldiseloomustus

Kaks peamist omadust, mis eristavad ioonikanaleid teistest ioontransporteritest ehk ioonpumpadest:

• ioonikanalit läbivaid ioone on palju (miljon või enam iooni sekundis);^[2]
• ioonid läbivad kanali mööda elektrilist gradienti, vajamata ATP kujul lisaenergiat ega mõnda muud mehhanismi.

Ioonikanalid paiknevad peaaegu kõikide elusorganismide rakkude rakumembraanides ja mitmes rakuorganellis. Valk moodustab kitsa ava läbi membraani, kust pääsevad läbi vaid kindla suuruse ja/või laenguga ioonid. Seda kutsutakse selektiivseks permeaabluseks ehk selektiivseks läbitavuseks. Tüüpiline ioonikanal on vaid ühe või kahe aatomi laiuse vahega oma kitsaimast kohast ning seda saavad läbivad vaid kindlat tüüpi ioonid, näiteks kaalium või naatrium. Mõned kanalid võivad olla aga läbitavad rohkem kui üht tüüpi ioonidele, kuid üldiselt peavad ioonid siiski sama laenguga olema: positiivsed katioonid või negatiivsed anioonid. Ioonid liiguvad läbi kanali üksteise järel tihti sama kiiresti kui mujal lahuses. Mitme iooni läbitavust reguleeritakse värava ehk tõkkega, mis avaneb ja sulgub reaktsioonina keemilisele või elektrilisele signaalile, temperatuurile või mehaanilisele jõule.

Ioonikanalid on integraalsed membraanivalgud, koosnedes tavaliselt mitmest valgust. Eri alaühikud ehk subühikud on tavaliselt homoloogilised või identsed ning paiknevad ringikujuliselt tihedalt üksteise kõrval, omavahel membraani läbivat poori moodustades. Pingeseoseliste ioonikanalite poori moodustavaid alaühikuid kutsutakse α alaühikuteks ning abistavaid alaühikuid tähistatakse β, γ jne.

Bioloogiline roll

Ioonide reguleeritud ja selektiivne transport, mis toimub ioonikanalite kaudu, on aluseks mitmele fundamentaalsele füsioloogilisele protsessile. See hõlmab näiteks elektrisignaale südames ja närvisüsteemis, neerude tööd ja immuunvastust. Palju toksiine on välja arenenud halvamaks saaklooma närvisüsteemi ioonikanaleid (näiteks ämblike ja madude mürgid). Need töötavad, muutes ioonikanali juhtivust ja/või kineetikat. Ioonikanalid on ka võtmeosaks mitmes bioloogilises protsessis, mis vajavad kiireid muutusi rakkudes, näiteks südame-, skeleti- ja silelihaste kokkutõmbed, epiteelkoes toitainete ja ioonide transport, T-lümfotsüütide aktivatsioon ja pankreases insuliini vabastamine. Uute ravimite väljatöötamisel üritatakse mõjutada just ioonikanalite tööd. Ioonikanalite olulisust näitab ka see, et nad moodustavad tervelt 1,5% inimgenoomist.

Teatud tüüpi kanalite alaühiku(te) puudumine või mutatsioon neis võib viia funktsiooni kadumiseni ja on põhjuseks mitmele neuroloogilisele ja teistele haigustele.

Mitmekesisus

Elusrakkudes on üle 300 tüübi ioonikanaleid. Vastavalt läbilastavate ioonide laengule saab neid jagada katioonikanaliteks ja anioonikanaliteks. Veel saab neid jagada lekkivateks(ingl leakage) kanaliteks, mis on pidevalt avatud ja tõkestatavateks (ingl gated) kanaliteks, mida saab avada ja sulgeda vastava ligandi või muu mehhanismi abil. Kanaleid võib kategoriseerida ka tööpõhimõtte, arvu või valkude paiknemise järgi.

Ioonikanaleid saab edasi eristada, kui abistavad alaühikud tekitavad spetsiifilist tüüpi voolu.

Klassifikatsioon tõkestuse järgi

Ioonikanaleid saab klassifitseerida tõkestatuse (ingl gating) järgi, mis avab ja sulgeb kanali. Pingeseoselised ehk pingetõkestatud ioonikanalid avanevad ja sulguvad vastavalt plasmamembraani pingegradiendile, samas ligandseoselised ioonikanalid avanevad ja sulguvad vastava ligandi seondumisel kanalile.

Pingeseoselised ioonikanalid

Rakumembraanil paiknev potentsiaalide erinevuse tekitatud elektriväli põhjustab ioonikanalis konformatsioonilisi muutusi, mis vastavalt membraanipotentsiaalile avavad või sulgevad pingeseoselise ioonikanali.

• Pingeseoselised naatriumkanalid: pere sisaldab 9 liiget ja vastutab närviimpulsside tekkimise ja levimise eest. Poori moodustav α alaühik on suur ja koosneb neljast homoloogilisest kordusdomeenist. Kanal koosneb ka abistavast β alaühikust. Mõlemad alaühikud on tugevalt glükosüülitud.
• Pingeseoselised kaltsiumkanalid: pere sisaldab 10 liiget ja nad koosnevad α₂δ, β ja γ alaühikutest. Kanalid on olulised nii lihasrakkude kokkutõmmetel, ergastamisel kui ka närvirakkude ergastamisel koos virgatsaine vabastamisega.
• Pingeseoselised kaaliumkanalid: pere koosneb umbes 40 liikmest, mis jagunevad omakorda 12 alaüksuseks. Peamiselt on need kanalid tuntud selle tõttu, et nad repolariseerivad rakumembraani pärast närviimpulssi. α alaühikud, millel on 6 membraani läbivat segmenti, moodustavad tetrameere loomaks funktsioneerivat kanalit.
• Mööduva retseptorpotentsiaaliga kanalid: perekonnaliikmeid on vähemalt 28 ning neid nimetatakse TRP (ingl transient receptor potential) kanaliteks. See rühm kanaleid on väga mitmekesiste aktivatsioonimeetoditega. Mõned kanalid võivad olla konstitutiivselt avatud, samas teiste avatust reguleerivad pinge, rakusisene Ca²⁺, pH, reduktsiooniaste, osmolaarsus ja mehaaniline venitamine. Kanalid erinevad ka ioonide poolest, mida nad läbi lasevad. Mõned on selektiivselt Ca²⁺ kanalid, teised on vähem selektiivsed, funktsioneerides katioonikanalitena.
• Hüperpolarisatsioon-aktiveeritud tsükliliste nukleotiidide tõkestatavad kanalid: kanalid avanevad hüperpolarisatsiooni mõjul, erinevalt teistest tsükliliste nukleotiidide tõkestatavatest kanalitest, mis avanevad depolarisatsiooni mõjul. Need kanalid on tundlikud tsüklilistele nukleotiididele cGMP (tsükliline guanosiinmonofosfaat) ja cAMP, mis mõjutavad kanali avanemise pingetundlikkust. Kanal on läbitav monovalentsetele K⁺ ja Na⁺ katioonidele. Peres on 4 liiget, millest kõik moodustavad tetrameere kuuekordselt membraani läbivatest α alaühikutest. Kuna kanalid avanevad hüperpolarisatsiooni tingimustes, funktsioneerivad nad südame rütmi hoidvate rakkude töös.
• Pingeseoselised prootonkanalid: kanalid avanevad depolarisatsioonil, aga on tugevalt pH-sõltuvad. Tulemusena avanevad kanalid vaid juhul, kui elektrokeemiline gradient on väljapoole (tsütoplasmas on positiivsem laeng kui väljaspool rakku), mille toimel liiguvad ainult prootonid rakust välja. Sellest tulenevalt on nende funktsioon happe väljutamine rakust. Veel on need kanalid kasutuses fagotsüütides oksüdatiivse purske ajal. Kui fagotsüüt on neelanud mikroobi, siis ensüüm NADPH oksüdaas koondub membraani ja hakkab tootma reaktiivseid hapnikuühendeid, mis aitavad mikroobe surmata.

Ligandseoselised kanalid

Ligandseoselist ehk ligandtõkestatud rühma tuntakse ka kui ionotroopseid retseptoreid. Kanalid avanevad kindla ligandmolekuli seondumisel rakuvälisele retseptorvalgu domeenile. Ligandi seondumine põhjustab konformatsioonilisi muutusi kanalivalgu struktuuris, mis viib kanali avanemiseni. Sellele järgneb ioonide vool läbi plasmamembraani. Sellised kanalid on näiteks katioone läbilaskev nikotiinergiline atsetüülkoliini retseptor, ionotroopsed glutamaat-tõkestatud retseptorid, happetundlikud ioonikanalid (ASIC – acid-sensing ion channel) ja ATP-tõkestatud P2X retseptorid.

Teiste tegurite toimel avanevad kanalid

See kategooria hõlmab muuhulgas sekundaarset edastajate aktivatsiooni ja inaktivatsiooni. Nende signaal pärineb raku seest. Võrdluseks, ligandtõkestatavatel kanalitel tuleb taoline signaal väljastpoolt rakku. Sellisteks sekundaarseteks edastajateks võivad olla ioonid, mis põhjustavad kanali otsest aktivatsiooni. See erineb pingeseoseliste ioonikanalite kaudsest aktivatsioonist (ioonidest tekkinud elektriline potentsiaal põhjustab (in)aktivatsiooni).

• Mõned kaaliumkanalid:
  • kaltsium-aktiveeritud kaaliumkanalid: pere 8 liiget aktiveerib peamiselt rakusisene Ca²⁺;
  • kahe poori domeeniga kaaliumkanalid: enam kui 15 liikmest koosneva pere kanalid võivad olla aktiveeritavad kindlate lipiidide, lenduvate anesteetikumide, kuumuse, hapniku, prootonite või membraanipingega.
• Valgustõkestatavad kanalid avanevad valguse toimel. Näiteks üherakulistel vetikatel on kanalrodopsiin, mis osaleb valguse aistimises ja valgusele reageerimises.
• Mehaanilise pinge tundlikud ioonikanalid (MSC – mechanosensitive channels) avanevad ja sulguvad venimise, rebenemise, rõhumuutuse ja nihke (ingl displacement) tulemusel. Mikroorganismides on see kasutuses sensoorse andurina rakusuuruse reguleerimiseks. Nende funktsionaalset tähtsust näitab ka fakt, et E. coli'l on 5 erinevat MSC-d.
• Tsükliliste nukleotiidide tõkestatavad ioonikanalid.
• Temperatuurtõkestatud ioonikanalid avanevad reaktsioonina külmale või soojale temperatuurile. Näiteks TRPV1 avaneb, kui temperatuur tõuseb paar kraadi üle 35 °C, ja TRPM8 avaneb järsult, kui temperatuur langeb alla 25 °C.

Klassifikatsioon paiknemise järgi

Ioonikanalid võivad asuda nii rakku ümbritseval plasmamembraanil kui ka rakusiseste organellide membraanil. Kuna plasmamembraan moodustab vaid ~2% tervest raku membraanist, siis ülejäänud 98% on rakusiseste organellide koostises (nt endoplasmaatiline retiikulum, Golgi kompleks, mitokonder ja kloroplast). Selle alusel jagatakse ioonikanalid kaheks:

• Plasmamembraani kanalid paiknevad raku plasmamembraanis.
• Rakusisesed kanalid, mida klassifitseeritakse organellide järgi.
  • Endoplasmaatilise retiikulumi kanalid: sealhulgas RyR, SERCA, ORAi, IP3R, PERK.
  • Mitokondri kanalid: sealhulgas mPTP, KATP, BK, IK, CLIC5 ja Kv7.4k, mis paiknevad sisemisel membraanil, ning välimise membraani kanalid VDAC ja CLIC.
  • Kloroplasti kanalid: tülakoidi ioonikanalid.

Ioonikanali blokeerijad

Paljud anorgaanilised ja orgaanilised molekulid võivad muuta ioonikanali aktiivsust ja juhtivust. Levinumad ioonikanalite blokaatorid on näiteks:

tetrodotoksiin (TTX) – toksiin, mida kasutab kerakala enesekaitseks, blokeerides ohvri naatriumkanaleid;

saksitoksiin (STX) – neurotoksiin, mida looduslikult toodavad paljud dinoflagellaadid ja tsüanobakterid, mis blokeerib pingeseoselisi naatriumkanaleid;

konotoksiin – neurotoksiline valk, mida toodab koonustigu. Eri tüübid võivad mõjutada näiteks naatriumkanaleid, kaaliumkanaleid ning pingeseoselisi naatrium- ja kaltsiumkanaleid;

lidokaiin ja novokaiin – kasutatakse lokaalanesteetikumidena näiteks hambaravis, blokeerivad naatriumkanaleid;

dendrotoksiinid – klass presünaptilisi neurotoksiine, mida toodavad mambad, blokeerivad teatud alamtüüpe pingeseoselisi kaaliumkanaleid. Musta mamba toodetud dendrotoksiin K blokeerib eelistatult Kv1.1 kanaleid ja on aktiivne juba pikomolaarsetel kontsentratsioonidel.

Patoloogia

Loomadel (sh inimestel) seostatakse ioonikanalitega hulka haiguslikke seisundeid, nagu kaasasündinud hüperinsulism, tsüstneer, tsüstiline fibroos, Brugada sündroom, mukolipidoos IV.

Tsüstilist fibroosi põhjustab ka mutatsioon CFTR-geenis, mis kodeerib tsüstilise fibroosi transmembraanse juhtivuse regulaatorvalku (CFTR), mis on kloriidikanal. Mutatsioon selles geenis häirib kloriidiooni transporti rakust välja. Haiguse korral kattuvad kopsud seest limaga, peamine sümptom on hingamishäired. Kahjustada saavad ka maks, pankreas ja seedesüsteem.

Brugada sündroomi põhjustavad mutatsioonid pingeseoselises naatriumkanalis. Sümptomiteks on ventrikulaarne arütmia, sünkoop ja südameseiskumine, mis leiavad aset peamiselt kas magades või puhates. On täheldatud ka eelnevate sümptomiteta südame äkksurma.

Mukolipidoos IV põhjustavad mutatsioonid TRMPML1 kanalit kodeerivas geenis. Sümptomiteks on arengu mahajäämus ja progresseeruv nägemiskahjustus.

Närvisüsteemi haigustest seostatakse eri ioonikanalite düsfunktsiooniga epilepsiat, episoodilist ataksiat, auraga migreeni, Eatoni-Lamberti sündroomi, Alzheimeri tõbe, Parkinsoni tõbe, skisofreeniat, ekstrapüramidaal- ja liigutushäireid, müotoonilisi haigusseisundeid jpt.

Episoodilise ataksia tüübid 1 ja 2: esimest tüüpi põhjustavad mutatsioonid KCNA1 geenis, mis kodeerib pingeseoselist kaaliumkanalit KV1.1. Teist tüüpi põhjustavad mutatsioonid CACNA1A geenis, mis kodeerib pingeseoselist kaltsiumkanalit.

Neurotransmitter

Neurotransmitter ehk neuromediaator ehk virgatsaine ehk ülekandeaine (ka aju kemikaal, ladina keeles neurotransmittor) on looduslikult kehasisene bioloogiliselt aktiivne keemiline aine, mis sünteesitakse neuronis vastavate ensüümide poolt ja mis vabastatuna vahendab närvirakkude vahelist keemilist neurotransmissiooni närvisüsteemis.

Neurotransmitter võib erituda näiteks sünapsis või erinevatest närvilõpmetest ja võetakse vastu sihtrakku (nt presünaptilisse neuronisse) ning aktiveeritakse ja/või inhibeeritakse teise neuroni (näiteks postsünatilise neuroni) retseptorite poolt.

Täpsemalt öeldes toimub ühe närviraku presünaptilises (inglise pre-synaptic) osas vesiikulitesse pakitud keemilise aine (neurotransmitteri) transport läbi sünaptilise pilu (inglise synaptic cleft) postsünaptilisse ossa, seostudes seal teise raku membraani ligandi mõjul avanevate ioonkanalitega (inglise k ligand-gated ion channels).

Täpne endogeensete virgatsainete definitsioon seni puudub, kuna neurotransmitteriteks võivad olla keemiliselt struktuurilt suhteliselt erinevad ained, erinev on neil ka biokeemia, ja samad ained võivad mujal kehas omada ka muid funktsioone. Virgatsained võivad toimida nii vastavate retseptorite aktiveerijate kui inhibeerijatena. Lisaks võivad virgatsained avaldada toimet ka sihtrakkudele.

Levinuimad virgatsained:

• adenosiintrifosfaat on energia talletaja ja ülekandja
• adrenaliin on närvisüsteemi aktiveeriv mediaator;
• atsetüülkoliin on närvisüsteemi inhibeeriv ja ka aktiveeriv mediaator;
• bombesiin
• dopamiin on närvisüsteemi inhibeeriv ja ka aktiveeriv mediaator;
• dimetüültrüptamiin
• eikosanoidid
• enkefaliin
• γ-aminovõihape on närvisüsteemi inhibeeriv mediaator;
• gastriin
• glutamaat on närvisüsteemi kõige olulisem erutav mediaator;
• glütsiin on närvisüsteemi inhibeeriv mediaator;
• histamiin on füsioloogiliste ja immuunreaktsioonide regulaator
• lämmastikoksiid
• noradrenaliin on närvisüsteemi aktiveeriv mediaator;
• serotoniin on närvisüsteemi aktiveeriv mediaator;
• somatostatiin jt.

Neurotransmitterid on kantud kehtivasse inimese tsütoloogia ja histoloogia standardsõnavarasse Terminologia Histologica.

G-valguga seotud retseptorid

G-valguga seotud retseptorid (ingl k G protein-coupled receptors (GPCR)) moodustavad suure osa valguliste retseptorite perekonnast, mis tuvastavad rakuväliseid molekule ja aktiveerivad rakusiseseid signaaliülekande radasid, mille tagajärjel saavutatakse bioloogiline vastus (igasugune muutus raku olekus või aktiivsuses, näiteks liikumine, ainete sekreteerimine, ensüümide tootmine, geenide ekspressioon jne.). GPCR-id on membraanisisesed valgud, millel on seitse membraani läbivat domeeni (transmembraanset heeliksit).

Melanokortiin-4 retseptori struktuur, kus on näha G-valguga seotud retseptoritele iseloomulikud seitse membraani läbivat domeeni

G-valguga seotud retseptoreid leidub ainult eukarüootides, sealhulgas pärmis, kaelusviburlastes ning teistes loomades. GPCR-ile seostuvad ja neid aktiveerivad ligandid võivad olla valgustundlikud ühendid, lõhnaained, feromoonid, hormoonid või neurotransmitterid ning varieeruvad mõõtmetelt väikestest molekulidest suurte valkudeni. G-valguga seotud retseptorid on seotud paljude haigustega ning on ligi 40% moodsate ravimite sihtmärgiks. 2012. aasta Nobeli keemiaauhind anti Brian Kobilkale ja Robert Lefkowitzile nende töö eest G-valguga seotud retseptoritega.

G-valguga seotud retseptoritel on kaks põhilist signaalirada: cAMPi signaalirada ja fosfatidüülinositooli signaalirada. Kui ligand seostub GPCR-ile, toimub viimases konformatsioonimuutus, mis laseb sel käituda guaniini nukleotiidi vahetusfaktorina (ingl k Guanine nucleotide exchange factor ehk GEF). GPCR saab seejärel aktiveerida seotud G-valgu, asendades sellele seotud guanosiindifosfaadi (GDP) guanosiintrifosfaadiga (GTP). G-valgud koosnevad kolmest alaühikust (valgumolekulist, mis seostub teiste valgumolekulidega ja moodustab nendega kompleksi): alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ), kusjuures α-alaühik on seotud GDP või GTP-ga ning β- ja γ-alaühikud moodustavad püsiva dimeerse βγ kompleksi. G-valgu α-alaühik koos GTP-ga saab dissotsieeruda β- ja γ-alaühikute küljest, et mõjutada rakusiseseid signaalmolekule või sihtmärke, sõltuvalt α-alaühiku tüübist.

Klassifikatsioon

GPCR-i perekonna täpne suurus on teadmata, aga inimese genoomi järjestuse analüüsil on leitud ligi 800 geeni (umbes 4% tervest valke kodeerivast genoomist), mis eeldatavasti kodeerivad G-valguga seotud retseptoreid. Kuigi välja on pakutud paljusid klassifitseerimise skeeme, jagatakse G-valguga seotud retseptorite perekond klassikaliselt kolme põhiklassi (A, B ja C), kus klasside järjestuste vahel pole tuvastatavat homoloogiat. Kõige suurem klass on A, kuhu kuulub ligi 85% GPCR geenidest. A-klassi kuuluvatest geenidest omakorda üle poolte kodeerivad maitsmismeele retseptoreid, ülejäänutele vastavad teadaolevad endogeensed ligandid või liigitatakse orbretseptorite alla. Järjestuse homoloogiate puudumisele vaatamata on eri klasside GPCR-id ühesuguse struktuuriga ja signaaliülekande mehhanismiga. Kokkuvõtvalt saab G-valguga seotud retseptorid jagada kuude klassi, põhinedes järjestuste homoloogial ja funktsionaalsetel sarnasustel:

• A-klass (või 1. klass) (rodopsiinilaadsed)
• B-klass (või 2. klass) (sekretiini retseptori perekond)
• C-klass (või 3. klass) (metabotroopse glutamaadi retseptor)
• D-klass (või 4. klass) (seente paljunemisferomoonide retseptorid)
• E-klass (või 5. klass) (tsüklilise AMP retseptorid)
• F-klass (või 6. klass) (kräsuline/silutud, ingl k Frizzled/smoothened)

Väga suur rodopsiini A-grupp jaguneb täiendavalt 19 alagrupiks (A1-A19). C-klassi hulka liigitatakse veel mõned retseptorid, näiteks teatud orbretseptorid ja gamma-aminobutüürhappe B (GABA(B)) retseptor.

Füsioloogiline roll

G-valguga seotud retseptorid on seotud väga paljude füsioloogiliste protsessidega. Mõned näited nende füsioloogilisest rollist:

1. Nägemismeel: opsiinid muudavad elektromagnetkiirguse rakusignaaliks fotoisomerisatsiooni reaktsiooni abil. Näiteks rodopsiin muundab 11-cis-retinaali trans-retinaaliks.
2. Maitsmismeel: GPCR-id maitsmisrakkudes vahendavad gustdutsiini vabanemist mõru ja magusa maitsega ainete söömisel.
3. Haistmismeel: haistmisrakkude (olfaktoorne epiteelkude) retseptorid seovad lõhnaaineid ja feromoone.
4. Käitumise ja meeleolu regulatsioon: imetajate ajus olevad retseptorid seovad mitmesuguseid neurotransmittereid, nende hulgas serotoniini, dopamiini, GABA-t ja glutamaati.
5. Immuunsüsteemi aktiivsuse ja põletiku regulatsioon: kemokiini retseptorid seovad ligande, mis vahendavad immuunsüsteemi rakkude vahelist suhtlust; mõned retseptorid, näiteks histamiini retseptor, seovad põletiku vahendajaid ja suunavad kindlaid rakutüüpe põletikulist vastust andma.
6. Autonoomse närvisüsteemi ülekanded: GPCR-id reguleerivad nii sümpaatilist kui parasümpaatilist närvisüsteemi, mis vastutavad paljude keha iseeneslike protsesside kontrolli eest, nagu vererõhk, pulss ja seedimisprotsessid.
7. Homöostaasi moduleerimine.
8. On seotud mõnda tüüpi kasvajate kasvu ja levikuga.

Struktuur

GPCR on membraanisisesed valgud, millel on seitse membraani läbivat domeeni (transmembraanset heeliksit). Retseptori rakuvälised osad võivad olla glükosüleeritud. Need rakuvälised aasad sisaldavad ka kahte tsüsteiinijääki, mis moodustavad disulfiidsidemeid, mis stabiliseerivad retseptori struktuuri. Varajased G-valguga seotud retseptorite struktuurid põhinesid nende nõrgal analoogial bakterirodopsiiniga, mille struktuur oli määratud nii elektrondifraktsiooni kui ka röntgenkristallograafia abil. Aastal 2000 õnnestus saada esimene imetaja GPCR-i (veise rodopsiini) kristallstruktuur. Kuigi retseptori põhiosa, seitse transmembraanset heeliksit, on ühesugune, erineb heeliksite paiknemine üksteise suhtes märgatavalt bakterirodopsiinist. 2007. aastal saadi ka esimene inimese GPCR-i struktuur. Kohe järgnes ka kõrgema eraldusvõimega struktuur samast retseptorist. See inimese β2-adrenergilise retseptori struktuur osutus väga sarnaseks veise rodopsiiniga heeliksite paiknemise osas. Samas on teise rakuvälise silmuse konformatsioon kahel struktuuril täiesti erinev. Kuna see silmus moodustab "kaane", mis katab ligandi sidumistaskut, illustreerib see konformatsioonide erinevus homoloogia mudelite loomise raskusi, põhinedes ainult rodopsiini struktuuril.

Eraldatud on ka aktiveeritud ja/või agonisti sidunud GPCR-ide struktuurid. Need struktuurid näitavad, kuidas ligandi seostumine rakuvälises osas muudab retseptori rakusisese osa konformatsiooni. Suurim muutus on viienda ja kuuenda heeliksi väljapoole liikumine. Aktiveeritud β2-adrenergiline retseptor kompleksis Gs-iga (G-valk, mis aktiveerimisel stimuleerib adenülaadi tsüklaasi) kinnitas, et G-valgu α-alaühik seostub selle liikumise tulemusel tekkinud taskusse.

Ligandid

GPCR-ide ligandide nimekiri on küllaltki pikk. Nende hulka kuuluvad adenosiin, bombesiin, endoteliin, γ-aminobutüürhape (GABA), melanokortiinid, neuropeptiid Y, opioidpeptiidid, opsiinid, somatostatiin, biogeensed amiinid (nt dopamiin, epinefriin, norepinefriin, histamiin, glutamaat, atsetüülkoliin ja serotoniin), kemokiinid, lipiidsed põletiku vahendajad (nt prostaglandiinid, prostanoidid, leukotrieenid), peptiidhormoonid (nt folliikuleid stimuleeriv hormoon (FSH), gonadotropiini vabastav hormoon (GnRH), neurokiniin, kannabinoidid). G-valguga seotud retseptorid, mille ligande veel tuvastatud pole, nimetatakse orbretseptoriteks. Kui teiste uuritud retseptorite tüüpidel seostuvad ligandid membraani välispinnal, siis GPCR-idel toimub sidumine üldiselt transmembraanses osas.

Konformatsiooni muutumine

G-valguga seotud retseptor aktiveeritakse välise signaaliga ligandi või mõne teise signaalikandja vahendusel. See põhjustab retseptori konformatsiooni muutuse, mis omakorda aktiveerib G-valgu. Edasine efekt sõltub G-valgu tüübist.

Signaaliülekanne läbi membraani pole päris selge. On teada, et inaktiivne G-valk on seotud retseptorile passiivses olekus. Kui ligand on seostunud, muutub retseptori konformatsioon ja aktiveerib seega mehaaniliselt G-valgu, mis vabaneb retseptori küljest. Retseptor saab seejärel siduda ja aktiveerida uue G-valgu või minna tagasi inaktiivsesse olekusse. See on küll väga lihtsustatud selgitus, aga annab toimuvast üldise ülevaate.

Usutakse, et retseptori molekulil on konformatsiooniline tasakaaluolek aktiivse ja inaktiivse oleku vahel. Ligandi seostumine võib seega nihutada tasakaalu aktiivse oleku poole. Agonistid nihutavad seega tasakaalu aktiivse oleku poole, pöördagonistid inaktiivse oleku poole ja antagonistid tasakaalu ei mõjuta. Aktiivse ja inaktiivse oleku erinevused pole siiski päris täpselt teada.

G-valgu aktivatsioon/deaktivatsioon

Kui retseptor on passiivses olekus, võib GEF domeen olla seotud inaktiivse G-valgu α-alaühikuga. G-valgud on heterotrimeersed, s.t. need koosnevad kolmest alaühikust (α, β, γ). α-alaühik on aktiivses olekus seotud guanosiintrifosfaadiga (GTP) ja inaktiivses olekus guanosiindifosfaadiga (GDP) (või puudub guaniini nukleotiid). Retseptori aktiveerimisel aktiveerib GEF domeen G-valgu, vahetades GDP GTP vastu. Rakus hoitakse tsütosoolselt GTP:GDP suhet 10:1, mistõttu on GTP seostumine soodustatud. G-valgu aktiveerimisel dissotsieerub G-valk retseptori küljest ning jaguneb kaheks osaks: α-alaühikuks (koos GTP-ga) ning βγ dimeeriks, mis saavad edasi teiste rakusiseste valkude aktiivsust mõjutada. Kuna α-alaühikul on aeglane GTP hüdrolüüsi võime, taastub ajapikku inaktiivne α-alaühik, mis saab taas seostuda βγ-dimeeriga, moodustades taas inaktiivse G-valgu trimeeri. See saab jälle omakorda seostuda retseptorile ja oodata aktiveerimist.

G-valgud

G-valgud ehk guaniininukleotiide siduvad valgud on valdavalt eukarüootsetel organismidel klassifitseeritud valkude perekond, mis tegeleb väljastpoolt rakku tulevate keemiliste signaalide ülekandega raku sisemusse. G-valgud kuuluvad ensüümiklasside nomenklatuuris suuremasse ensüümiklassi hüdrolaasid – GTP-aaside hulka. G-valgud toimivad kui molekulaarsed lülitid. Nende aktiivsust reguleerivad teatud tegurid, mis määravad nende võime siduda ja hüdrolüüsida guanosiintrifosfaati (GTP) guanosiindifosfaadiks (GDP). Kui G-valgud seovad GTP-d, võib öelda, et nad on "sisse lülitatud", ja kui nad seovad GDP-d, siis on nad "välja lülitatud".

G-valgu beeta-gamma kompleks. Beeta alaühik on sinine ja gamma alaühik punane

Guanosiindifosfaat

Guanosiintrifosfaat

G-valgud võib jaotada kaheks: monomeersed väikesed GTP-aasid ja heterotrimeersed G-valgud. Viimane neist koosneb kolmest alaühikust: alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ). Beeta ja gamma alaühikud võivad moodustada püsiva dimeerse kompleksi, mida nimetatakse beeta-gamma kompleksiks.

G-valgud aktiveeruvad G-valguga seotud retseptorite (GPCR) kaudu, mis asuvad raku membraanil ja millele on omane seitsme transmembraanne (7Tm- retseptor) struktuur. Virgatsaine seostub retseptorile ja sellega kaasnev konformatsiooni muutus aktiveerib retseptoriga seotud G-valgu. G-valk omakorda aktiveerib arvukalt signaaliradasid, mille tulemusena tekib muutus raku talitluses.

G-valkudega seotud signaali ülekannet on võimelised ajendama mitmed hormoonid, virgatsained ja teised signaaliülekandega seotud tegurid. G-valgud reguleerivad mitmeid rakus olevaid metaboolseid ensüüme, ioonkanaleid ja transportereid, mis omakorda mõjutavad funktsioone ja protsesse nagu näiteks loote areng, õppimisvõime ja mälu.

Ajalugu

Funktsioon

G-valgud on olulised signaaliülekandes osalevad molekulid rakus. Sellised haigused nagu diabeet, pimedus, allergiad, depressioon, südame-veresoonkonna haigused ja kindlad vähktõve vormid on seotud G-valkudega seotud retseptorite (GPCR) väärtalitlusega signaaliülekandes. Sellest tulenevalt on ligikaudu 40% tänapäeva ravimitest suunatud just GPCR-le.

Inimgenoomi on kodeeritud ligikaudu 950 G-valguga seotud retseptorit, mis detekteerivad footoneid, hormoone, kasvufaktoreid, ravimeid ja muid endogenoosseid ligande. Otstarve on teadmata umbes sajaviiekümnel GPCR-l.

G-valkude signaaliülekande tüübid

G-valgud võib jagada kahte rühma: heterotrimeersed ehk nn suured ja monomeersed ehk nn väiksed G-valgud. Heterotrimeerseid G-valke aktiveerivad GPCR-id ja need koosnevad alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ) alaühikutest. Monomeersed G-valgud (20–25 kDa) kuuluvad väikeste GTP-aaside alla kuuluvasse Ras superperekonda. Monomeerne G-valk on homoloogiline heterotrimeerse G-valgu alfa alaühikuga. Ka monomeersed G-valgud seostuvad GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes.

Heterotrimeersed G-valgud

Heterotrimeerseid G-valke on mitut tüüpi, kuid neil on kõigil sama tööpõhimõte. Kui ligand seostub G-valguga seotud retseptorile, siis kaasneb sellega retseptori konformatsiooni muutus. See aktiveerib heterotrimeerse G-valgu ja GDP vahetub GTP vastu. Seejärel G-valk eraldub retseptorist ja alfa alaühik eraldub beeta-gammakompleksist. Eraldunud alaühikud saavad nüüd aktiveerida järgmisi virgatsaineid signaaliülekanderajal. Spetsiifiline mehhanism on aga erinevatel heterotrimeetsete G-valkude tüüpidel erinev.

Üldine tööpõhimõte

G-valkude aktivatsioon G-valkuga seotud retseptori kaudu

G-valgud on seotud raku membraani sisepinnaga. Need koosnevad G_α ja sellega tihedasti seotud G_βγ alaühikutest. G_α alaühikuid on mitut liiki: G_sα (aktiveeriv G-valk), G_iα (inhibeeriv G-valk), G_oα, G_g/11α ja G_12/13α on vaid mõned näited. Neil on sama aktivatsioonimehhanism, kuid nad reageerivad erinevate ligandide puhul erinevalt.

Aktivatsioon

Ligand, seostudes G-valguga seotud retseptorile, tekitab retseptoris konformatsiooni muutuse. Seetõttu toimib GPCR kui guaniininukleotiidi vahetustegur (inglise k. guanine nucleotide exchange factor, GEF), mis vahetab G_α alaühiku küljes oleva GDP GTP vastu. Traditsionaalse mudeli kohaselt põhjustab see GTP-ga seotud G_α alaühiku eraldumise G_βγ dimeerist ja retseptorist. Ka uusi mudeleid, kus viidatakse molekulaarsele ümberasetusele ja molekulide eel-komplekside moodustumisele on hakatud aktsepteerima. Nii G_α-GTP kui ka G_βγ alaühikud saavad seejärel osaleda signaalikaskaadide ja efektorvalkude aktiveerimisel. Retseptor on samal ajal aga võimeline aktiveerima järgmist G-valku.

Signaali peatamine

G_α alaühik hüdrolüüsib sellega seotud GTP tagasi GDP-ks oma loomupärase ensümaatilise aktiivsuse kaudu. Seega saab G_α alaühik uuesti G_βγ kompleksiga liituda ja uus signaaliülekande tsükkel alata. Grupp valke, mida nimetatakse G-valgu signaaliülekande regulaatoriteks (inglise k. Regulator of G protein signalling, RGS), toimivad kui GTP-aase aktiveerivad valgud (GAP) ning nad on G_α alaühikule spetsiifilised. Need valgud kiirendavad GTP hüdrolüüsi GDP-ks ja seeläbi peatavad signaaliülekande. Mõnel juhul võib efektormolekul ise loomuomast GAP-aktiivsust omada ja seeläbi signaaliülekande peatada. See kehtib näiteks fosfolipaas C beeta korral, mis omab GAP-aktiivsust oma C-otsa läheduses. See on alternatiivne G_α alaühiku reguleerimise viis.

Spetsiifilised mehhanismid

• G_sα stimuleerib cAMP tootmist adenosiintrifosfaadist (ATP), aktiveerides sellega cAMP-st sõltuva signaaliülekande raja. Sellega kaasneb otsene membraaniga seotud ensüümi adenülaaditsüklaas (AC) stimulatsioon. cAMP toimib kui sekundaarne virgatsaine, mis seostub ja aktiveerib proteiinkinaas A (PKA). Seejärel saab PKA fosforüleerida vajalikke molekule signaaliülekande rajal.

GPCR-ga on seotud kaks põhilist signaaliülekanderada, mis sõltuvad kas cAMP-st või fosfatidüülinositoolist.

cAMP-st sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH ehk antidiureeriline hormoon (vasopressiin) – soodustab vee tagasiimendumist neerudes;
• GHRH ehk kasvuhormooni vabastav hormoon (somatoliberiin) – stimuleerib kasvuhormooni (GH) sünteesi ja vabanemist;
• GHIH ehk kasvuhormooni inhibeeriv hormoon – takistab GH sünteesi ja vabanemist;
• CRH ehk kortikotropiini vabastajahormoon – stimuleerib adrenokortikotroopne hormoon ehk (ACTH) (kortikotropiin) sünteesi ja vabanemist;
• ACTH – stimuleerib kortisooli sünteesi ja vabanemist;
• TSH ehk kilpnääret stimuleeriv hormoon (türeotropiin) – stimuleerib suurema osa türoksiini (T4) sünteesi ja vabanemist;
• LH ehk luteiniseeriv hormoon (lutropiin) – toetab emastel ovulatsiooni ja corpus luteumi arengut ning isastel testosterooni tootmist ja spermatogeneesi;
• FSH ehk folliikuleid stimuleeriv hormoon (follitropiin) – stimuleerib emastel folliikuli arengut ja isastel spermatogeneesi;
• Kaltsitoniin – alandab kaltsiumitaset veres;
• Glükagoon – stimuleerib glükogeeni lagundamist glükoosikst;
• HCG ehk inimese kooriongonadotropiin – stimuleerib rakkude diferentseerumist;
• G_iα – inhibeerib cAMPi tootmist ATP-st;
• G_q/11α – stimuleerib rakumembraanil asuvat ensüümi fosfolipaas C beeta, mis lõhustab fosfoinositooli PIP2 kaheks sekundaarseks virgatsaineks, IP3 ja diatsüülglütserool (DAG).

Fosfatidüülinositoolist sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH
• TRH ehk türeotropiini vabastav hormoon – stimuleerib TSH sünteesi ja vabanemist.
• TSH
• Angiotensiin II – stimuleerib aldosterooni sünteesi ja vabanemist.
• GnRH ehk gonadotropiini vabastav hormoon – stimuleerib FSH ja LH sünteesi ja vabanemist.
• G_12/13α on seotud Rho perekonna GTP-aasi signaaliülekandega. See juhib raku tsütoskelett remodelleerumist, seega reguleerides raku liikumist.
• G_βγ kompleksil on samuti aktiivseid funktsioone. Näiteks G-valguga seotud sissepoole korrigeerivate kaaliumikanalite (inglise k. G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channels, GIRK) aktiveerimine ja nendega seostumine.

Väiksesed GTP-aasid

Väikesed GTP-aasid seostuvad samuti GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes. Väikesed G-valgud on heterotrimeerse G-valgu alfa alaühiku homoloogid, kuid nad on monomeersed. Nad on väikesed (20–25 kDa) valgud. See valguperekond on homoloogiline Ras GTP-aasidega ning nad kuuluvad Ras superperekonda GTP-aasid.

Lipiidimine

Plasmamembraani sisemise kihiga seostumiseks on paljud G-valgud ja väikesed GTP-aasid lipideeritud. See tähendab, et neil on kovalentsete sidemetega seotud rasvamolekulid. Nad võivad olla seotud müristoüül-, palmitoüül- või prenüülrühmaga.

Osad guaniininukleotiide siduvad valkude retseptorid võivad käituda onkogeenidena.

Nukleool

Nukleool (inglise nucleolus) ehk tuumake on ülekaalukalt interfaasi (vahefaasi) rakutuumades leiduv tihke moodustis, mille sees komplekteeritakse rRNA-d. Nukleoole võib tuumas olla üks, kaks või enam.

Nukleool koosneb 5 positiivsest kromosoomipaarist (13, 14, 15, 21 ja 22), mis sisaldavad 200 ribosomaalse RNA (rRNA) geeni koopiat.

Kääviniidistik

Kääviniidistik koosneb niitjatest valkudest, mis mängivad olulist rolli raku jagunemisel. See on bipolaarne struktuur, mis koosneb mikrotuubulitest ja nendega seotud valkudest. Kääviniidid tekivad mitoosi profaasis ning võtavad osa kromosoomide (täpsemalt kromatiidide) jaotamises tütarrakkude vahel.

Pilt mitoosi metafaasist mikroskoobi all. Käävniidid (rohelised) on valmis tõmbama tütarkromatiidid (sinised) vastaspooltele.

Ülesanne

Kääviniitide ülesanne on tütarkromatiidid raku vastaspooltele tõmmata, et geneetiline informatsioon saaks uuele rakule pooldumisel edasi kanduda. Raku pooldumisel liiguvad kaks algselt tuuma läheduses olevat tsentrosoomi raku vastaspooltele. Kahe tsentrosoomi ja nendevaheliste tsentromeeride vahele tekivad kääviniidid, mis mitoosi anafaasis tõmbavad tütarkromatiidid vastaspooltele. Mitoosi lõppfaasis ehk telofaasis kaovad kääviniidid, tütarkromatiidid on raku vastaspooltele tõmmatud ning rakk saab lõplikult poolduda.

Tsentriool

Tsentriool on loomaraku silindrikujuline organell, mis koosneb üheksast mikrotuubuli filamendist moodustunud kolmikust.

Tsentrioolid on assotsieerunud rakutuuma rakumembraaniga. Loomarakus on reeglina kaks omavahel risti asetsevat tsentriooli, mis moodustavad tsentrosoomi – raku organelli, mis koordineerib mikrotuubulite tsütoskeletti. Tsentrioolid uuenevad rakus duplitseerumise teel; see toimub siis, kui algab DNA replikatsioon.

Tsentrioolid täidavad rakus kolme põhilist funktsiooni:

1. Tsentrosoomi koosseisus on nad mikrotuubulite organisatsiooni keskuseks.
2. Viburite või ripsmetega varustatud rakkudes on nad basaalkehaks, kust need struktuurid välja kasvavad.
3. Rakujagunemisel koordineerivad tsentrioolid kääviniidistiku moodustumist ja funktsiooni.

Tsentrosoom

Tsentrosoom on rakuorganell, mis etendab olulist osa mikrotuubulitest koosneva tsütoskeleti organiseerimisel ning rakutsükli reguleerimisel.

Raku anatoomia
1. Tuumake
2. Tuum
3. Ribosoom
4. Vesiikul
5. Karedapinnaline tsütoplasmavõrgustik
6. Golgi kompleks
7. Tsütoskelett
8. Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik
9. Mitokonder
10. Vakuool
11. Tsütoplasma
12. Lüsosoom
13. Tsentrosoom

Tsentrosoomi avastas 1883. aastal Belgia bioloog Édouard van Beneden. Theodor Boveri kirjeldas tsentrosoomi esimesena täpsemalt ning andis sellele ka nime.

Tsentrosoom on ainult loomarakkudel. Seenerakkudel ja taimerakkudel see puudub.

Tsentrosoom koosneb kahest põiki paiknevast tsentrioolist ning seda ümbritsevad valgud, mis moodustavad peritsentriolaarse materjali (PTM). PTM sisaldab valke, mis vallandavad mikrotuubulite fiibrite süntees ning võimaldavad mikrotuubulite kinnitumist. Nende valkude hulka kuuluvad γ-tubuliin, peritsentriin ja nineiin. Tsentrosoomi kuuluvad tsentrioolid koosnevad üheksast mikrotuubulite kolmikust, mis moodustavad silindrilise struktuuri.

Rakutsükli interfaasis on tsentrosoomid kinnitunud tuuma membraanile. Mitoosis tuuma membraan laguneb ning tsentrosoomist alguse saanud mikrotuubulid interakteeruvad kromosoomidega, moodustades kääviniidid, mis kromosoomid üksteisest eemaldavad. Tsentrosoom paljuneb ainult korra rakutsüklis, kusjuures iga tütarrakk saab ühe vanemaraku tsentriooli. Tsentrosoom replitseerub rakutsükli S-faasis.

Kromosoomistik

Kromosoomistik ehk karüotüüp on kromosoomide kogum indiviidi keha- või generatiivse raku tuumas.

Naise kromosoomistik (Y-kromosoom puudub).

Õpetust kromosoomistikust nimetatakse karüoloogiaks.

Kromosoomistik võib sisaldada erineva arvu liigiomaseid kromosoomikomplekte – näiteks ühekordne (haploidsus), kahekordne (diploidsus) või rohkemakordne (polüploidsus)^[.

Inimese kromosoomistik sisaldab 46 kromosoomi: naistel 44+XX ja meestel 44+XY. Inimahvidel on 48 kromosoomi.

Karüogrammis (kromosoomistiku pilt) on kromosoomid korrastatud kujul (kromosoomid on paarides ja ritta seatud suuruse järgi). Kromosoomistiku värvimise põhjal eristatakse klassikalist karüogrammi ja spektraalset karüogrammi (SKY tehnika).

Ajalugu

Kromosoomid avastas šveitsi botaanik Karl Wilhelm von Nägeli 1842 taimerakkudes. Loomadel, täpsemalt salamandril kirjeldas kromosoome esimest korda mitoosi avastaja, saksa bioloog Walther Flemming 1882. Termini "kromosoom" leiutas saksa anatoom Heinrich Wilhelm Waldeyer 1888. 20. sajandi alguses võeti omaks, et kromosoomid on geenide kandjad.