Metaboolne atsidoos

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Metaboolne atsidoos on häire, mis väljendub organismi vereplasmas oleva bikarbonaadi sisalduse vähenemises.

Sisukord

Metaboolse atsidoosi vormidRedigeeri

Metaboolsel atsidoosil on kaks vormi. Ühel juhul anioonide vahe plasmas jääb normaalseks, teisel juhul see suureneb.

Metaboolne atsidoos normaalse anioonide vahegaRedigeeri

See vorm on põhjustatud bikarbonaadi gastrointestinaalsetest ja renaalsetest kadudest. Gastrointestinaalsete kadude hulka kuuluvad, nagu eelpool mainitud, oksendamine ja kõhulahtisus. Renaalsete kadude alla kuuluvad proksimaalne renaalne tubulaaratsidoos ja distaalne renaalne tubulaaratsidoos.

Proksimaalne renaalne tubulaaratsidoosRedigeeri

Proksimaalne renaalne tubulaaratsidoos tekib siis, kui bikarbonaadi tagasihaarde mehhanism proksimaalses tuubulis on kahjustunud. See kujuneb välja järgmistel põhjustel:

• amüloidoos
• nefrootiline sündroom
• raskmetallide mürgistused (nt kaadmium avaldab kahjulikku mõju kaltsiumiainevahetusele ning see võib esile kutsuda raku surma)

Distaalne renaalne tubulaaratsidoosRedigeeri

Distaalse renaalse tubulaaratsidoosi kutsub esile kogumistorukeste talitlushäire ning kahjustatud on H⁺ tagasihaarde mehhanismid. See on tingitud järgmistest haigustest:

• hüpergammaglobulineemia
• pulmonaarne fibroos
• Sjögreni sündroom
• vaskuliit
• Ehlersi-Danlosi sündroom
• Marfani sündroom
• Hüperparatüreoos
• Wilsoni tõbi
• Fabry tõbi
• Hüperoksaluuria

Metaboolne atsidoos suurenenud anioonide vahegaRedigeeri

Metaboolse atsidoosi korral on vereplasmas anioonide vahe suurenenud. Põhjused:

• orgaaniliste hapete ülehulk
• mürgistused
• anorgaaniliste hapete ülehulk

Organismi reaktsioonid metaboolse atsidoosi kõrvaldamiseksRedigeeri

Organism vastab metaboolsele atsidoosile kolmel viisil. Esiteks püüab ta taastada vereplasma normaalse pH, teiseks langetada kopsude vahendusel PaCO₂ ja neerude kaudu takistada bikarbonaadi liigekskretsiooni.

Ketoatsidoos

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Ketoatsidoos on ainevahetushäire, mida iseloomustab ketokehade kõrgenenud tase veres ja metaboolne atsidoos.

Sisukord

Ketokehad ja diabeetRedigeeri

Ketokehad on atsetoained. Inimese organismis on peamised atsetoained atsetoatseaat ja 3-hüdroksübutüraat. Kui organismis on ketogeenne aktiivsus suur, on hingeõhus tunda atsetooni lõhna.

Ketoatsidoos (diabeetiline)Redigeeri

Ketoatsidoos on diabeediga inimestel tekkida võiv ohtlik seisund, mis on põhjustatud insuliinivaegusest või hüpoglükeemiast. Mida täielikum on insuliinivaegus, seda intensiivsem on rasvade lõhustamine rasvkoes ja seda enam vabaneb verre ka rasvhappeid. Tekib olukord, kus rasvhappeid tuleb põletada energia saamiseks, kuid rasvhapped ei põle lõpuni, sest glükoos ei pääse rakkudesse ning seda ei saa seal põletada. Tagajärjeks on ketoainete põhjustatud happemürgisus (ketoatsidoos), juhul kui organism ei saa kiiresti lisaks vajalikul määral insuliini. Algava ja juba arenenud ketoatsidoosi korral on vere suhkrusisaldus alati suur ja uriinis on alati ohtralt nii suhkruid kui ka ketoaineid. Nende ainete sisaldus veres ja uriinis kasvab kiiresti senikaua, kui süstitakse vajalik kogus lisainsuliini. Ketoatsidoos võib tekkida diabeetikul ka hüpoglükeemia (liiga väike suhkrusisaldus veres) korral, kui veres on liiga vähe glükoosi, ei piisa selle põlemisest rakkudes, et põletada rasvhapped täielikult. Sellises olukorras nimetatakse ketoaineid näljahapeteks.

Ketoatsidoosi tunnusedRedigeeri

• iiveldus ja oksendamine
• dehüdratsioon ehk janu
• puuvilja- või atsetoonilõhnaline aroom hingeõhus
• kiire kaalulangus
• raskendatud või sügav, meeleheitlik hingamine
• kõhuvalu
• kiirenenud südamerütmika
• segadusseisund ja/või desorientatsioon
• kooma

Ketokehade mõõtmine verestRedigeeri

Ketokehi peaks mõõtma, kui veresuhkur ületab 17 mmol/l või kui veresuhkur on olnud pikemat aega üle 13 mmol/l. Diabeetilist ketoatsidoosi diagnoositakse tavaliselt vere- ja uriinianalüüside abil, mis mõõdavad ketoonide sisaldust veres või uriinis.

Ketokehade testi tulemusedRedigeeri

–alla 0,6 mmol /L – normaalne vere ketooni väärtus –0,6 kuni 1,5 mmol /L – näitab, et toodetakse rohkem ketoone kui tavaliselt, testida hiljem uuesti, et näha, kas väärtus on langenud –1,6 kuni 2,9 mmol /L – suur ketoonide sisaldus, võib esineda ketoatsidoosi oht. Soovitatav on pöörduda oma raviarsti poole. –üle 3,0 mmol /L – ketoonide ohtlik tase, mis vajab viivitamatut arstiabi

Ketoatsidoosi vältimineRedigeeri

• Veresuhkru taseme kontrolli all hoidmine;
• endokrinoloogi antud raviplaani järgimine;
• viirushaiguse korral tuleb veresuhkrut kontrollige tavalisest sagedamini; kui see on korduvalt üle 13 mmol/l, tuleb iga 4–6 tunni järel määrata ketoone ka verest.

Intron

Intron on geenis olev nukleotiidne järjestus, mis eemaldatakse RNA splaissimise käigus, kui valmistatakse RNA produkt, millelt toimub translatsioon. Intronid ja eksonid geenis transkribeeritakse RNA molekuliks ning eksonid liidetakse kokku RNA lõpp-produktiks, kui intronid on eemaldatud. Intron on geeni mittekodeeriv piirkond.

Üht intronit sisaldav geen

Terminit intron kasutatakse nii DNA sees olevate intronite iseloomustamiseks kui ka RNA sees olevate intronite iseloomustamiseks.

Järjestused, mis hiljem kokku liidetakse RNA valmistamiseks, on moodustunud eksonitest pärast RNA splaissimist. Intronid esinevad enamiku organismide geenides ning ka paljudes viirustes. Introneid esineb paljudes geenides, ka neis, mis genereerivad valke, ribosomaalset-RNAd (rRNA) ja transport-RNAd (tRNA). RNA töötlemine toimub enne translatsiooni ning pärast transkriptsiooni.

Sõna intron tuleb ingliskeelsest väljendist intragenic region (geenisisene piirkond), mis tähendab geeni sees olevat ala.

Klassifikatsioon

On teada vähemalt nelja eri tüüpi introneid.

• isesplaissuvad grupp I intronid, mis eemaldatakse RNA katalüüsi käigus
• isesplaissuvad grupp II intronid, mis eemaldatakse RNA katalüüsi käigus
• intronid tuuma valke kodeerivates geenides, mille eemaldavad splaissosoomid
• intronid tuuma ja arhe transport-RNA geenides, mille eemaldavad valgud (tRNAd lõikavad ensüümid)

Pakutakse ka grupp III introneid omaette perekonnana, kuid neist teatakse veel vähe.

Grupp I ja grupp II introneid leidub valke kodeerivate geenides (informatsiooni-RNA ehk mRNA), transport-RNA ja ribosomaalses RNAs paljudel organismidel. Pärast RNA transkriptsiooni teevad I grupi ja II grupi intronid läbi ulatusliku sisemise interaktsiooni, mis lubab neil kolmedimensiooniliseks kujundiks kokku voltuda. Nende intronite RNA moodustab keerulise konserveerunud sekundaarsturuktuuri. See võimaldab neil intronitel olla isesplaissuv. Intronit sisaldav RNA molekul muudab enda kovalentstruktuuri, et täpselt eemaldada intron ning kleepida eksonid omavahel õiges järjekorras kokku. Mõnel juhul osalevad splaissimises ka spetsiaalsed introneid siduvad valgud, mis aitavad introneid voltida isesplaissumiseks vajalikku kolmedimensionaalsesse struktuuri.

Tuuma pre-mRNA intronid (splaissosoomiga eemaldatavad intronid) on ära määratud spetriaalsete intronite järjestustega, mis asuvad eksonite ja intronite vahealadel. Need järjestused tuntakse ära splaissosoomse RNA molekulide abil, kui alustatakse splaissimisreaktsioonidega. Tuuma pre-mRNA intronid on tihti palju pikemad kui neid ümbritsevad eksonid.

Bioloogilised funktsioonid ja evolutsioon

Esialgsel hindamisel saab introneid vaadata kui tähtsusetuid järjestusi, mille ainus funktsioon on eemalduda splaissimata algsest RNAst, et valmistada funktsionaalne mRNA, rRNA või tRNA produkt. Siiski, mõned intronid ise kodeerivad spetsiifilisi valke või neid introneid töödeldakse edasi hiljem pärast splaissimist, et genereerida mittekodeerivaid RNA molekule. Alternatiivne splaissimine on laialt kasutusel, et valmistada palju valke ühest geenist, tegemist on post-translatsioonilise geeniregulatsiooniga. Mõned intronid esindavad mobiilseid geneetilisi elemente ja võidakse lugeda kui näideteks isekast DNAst.

Intronite bioloogiline päritolu on selgusetu. Pärast esimest intronite avastust valke kodeerivates geenides eukarüootide rakutuumades, käis arutelu selle üle, kas intronid tänapäevastes organismides on pärit ühisest eellasest või on intronid üsna hiljuti evolutsiooniprotsessis tekkinud. On ka teine teooria: splaissosoom ja intron-ekson struktuurid geenides on jäänuk RNA maailmast. Käib arutelu ka selle üle milline neist hüpoteesidest on õigeim. Viimane populaarne konsensus hetkel on, et intronid on jäänud eukarüootsesse liini isekate elementidena.

Varajased genoomse DNA järjestuse uuringud paljudes organismides on näidanud, et intron-ekson struktuurid homoloogilistes geenides erinevates organismides võivad suuresti varieeruda. Hiljutisemad uuringud kogu eukarüootse genoomi kohta on näidanud, et intronite pikkus ja tihedus varieerub palju sugulasliikide vahel. Näiteks inimese genoom sisaldab keskmiselt umbes 8,4 intronit geeni kohta (139 418 genoomis), üherakuline seen Encephalitozoon cuniculi sisaldab ainult 0,0075 intronit geeni kohta (15 intronit genoomis)). Introneid on evolutsioonis ulatuslikult tekkinud ja/või kadunud evolutsioonis alates eukarüootide ühise eellase lahknemisest. Arvatavasti on see protsess selektsiooni tulem, kalduvusega intronite juurdetekkimisega suuremates liikides nende väiksemate populatsioonide tõttu ja vastupidine efekt toimub väiksemate liikide puhul (eriti üherakulistel liikidel). Bioloogilised faktorid mõjutavad ka millistes geenides intronid kaovad või juurde tekivad.

Intronite alternatiivne splaissimine geenides tekitab suuremat varieetilisust valkude järjestustes, mis transleeritakse ühest geenist, see lubab toota mitmeid erinevaid valke ühest geenist. Alternatiivse RNA splaissimise kontroll teostatakse erinevate signaalmolekulide abil, mis vastavad paljudele rakusisestele ja rakuvälistele signaalidele.

Intronid kui mobiilsed geneetilised elemendid

Intronid võivad evolutsioonis minna kaduma või tekkida juude nagu on selgunud paljude ortoloogiliste geenide uuringutest. Selgunud on kaks üldtunnustatud mehhanismi intronite kadumisest, pöördtranskriptaasi-vahendatud intronite kadu (Reverse Transcriptase-Mediated Intron Loss ehk RTMIL) ja genoomideletsioonid. Lõplikud mehhanismid intronite tekkimisest on kirjeldamata ja vastuolulised. Hetkel on teada vähemalt seitse intronite tekkemehhanismi: introni transpositsioon, transposooni insertsioon, tandem genoomi duplikatsioon, introni ülekanne, introni teke homoloogilise rekombinatsiooni tulemusel (DSBR rada), grupp II introni insertsioon ja intronisatsioon.

Introni transpositsiooni korral arvatav introni tekkemehhanism on kui splaissitud intron pöördsplaissub kas enda mRNA või mõne teise mRNA sisse, kus eelnevalt polnud intronit. Intronit sisaldav mRNA seejärel pöördtranskribeeritakse ja tulemuseks on intronit sisaldav cDNA, mis seejärel võib põhjustada intronitekke täieliku või osalise rekombinatsiooni tulemusena oma orignaalgeenilookusesse.

Transposooni insertsioonid võivad ka tulemuseks anda introni tekke. Kui transposoon asetub AGGT järjestusse, duplitseerub see järjestus mõlemal pool transposooni ning selline insertsioon võib introniseerida transposooni, rikkumata koodijärjestust.

Tandemgeeniduplikatsiooni korral doonor- ja aktseprotsplaissimissaitides (mõlemal on AGGT järjestusele sarnane järjestus) eksonisegmendis AGGT järjestuses tandemgeeniduplikatsioon genereerib kaks potentsiaalset splaissumissaiti. Kui splaissosoom selle koha ära tunneb, siis originaalse ja duplitseeritud AGGT vahel olev järjestus splaissitakse geeni koodijärjestust muutmata.

Introni ülekande korral saab pseudogeen või paraloogne geen introni ja siis kannab selle introni üle rekombinatsiooni teel õdeparaloogi, kust intron puudub.

Intronisatsiooni korral tekitavad mutatsioonid uued intronid varasematest eksonijärjestustest. Selle mehhanismi korral ei toimu insertsiooni või DNA generatsiooni.

Närvirakk

Neuron ehk närvirakk ehk neurotsüüt (kreekakeelsest sõnast νεῦρον neũron) on enamikul loomadel närvisüsteemi funktsionaalne üksus.

Närvikoe rakkudel on mitmeid ülesandeid, nad toodavad neurohormoone ja võtavad vastu, muundavad ja kannavad üle elektrilisi signaale, mida nimetatakse närviimpulssideks.

Närvirakkude võrgustikku ja selle uuenemist, aga ka patoloogilisi seisundeid reguleerib suuresti neurohumoraalne regulatsioon.

Närvirakud hakkavad organismis elama ja arenema looteeas: embrüogeneesis lootelehe välise kihi ektodermaalset päritolu rakkudest – neuroblastidest. Erinevalt paljudest teistest keharakkudest närvirakud pärast diferentseerumist oma elu jooksul rohkem ei jagune.

Tüüpilise neuroni ehk närviraku ehitus

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

I gal närvirakul on tuuma sisaldav rakukeha ehk perikaarüon, dendriitideks kutsutavad lühikesed jätked, mis kannavad elektrilisi signaale rakukeha suunas, ja akson – pikk jätke, mis juhib signaale läbi sünapsi närvirakust välja.

Närviraku anatoomia

Praegu kehtivas inimese anatoomia standardis Terminologia Anatomicas kuulub neuron närvisüsteemi.

Närviraku ehitus

Närviraku ehitus

1. Karedapinnaline endoplasmaatiline retiikulum
2. polüribosoom
3. ribosoom
4. Golgi kompleks
5. rakutuum
6. nukleool
7. rakumembraan
8. mikrotuubul
9. mitokonder
10. siledapinnaline endoplasmaatiline retiikulum
11. aksonikoonus (inglise keeles axon hillock)
12. Schwanni raku tuum
13. sünaps (aksonsomaatiline)
14. sünapsid (aksondendriidiline)
15. dendriit
16. akson
17. neurotransmitter sünapsipilus
18. retseptor
19. sünaps
20. aktiinifilamendid
21. Schwanni raku müeliintupp
22. Ranvier' kitsend (ingl. k. node of Ranvier)
23. Presünaptiline terminal
24. Sünaptilised vesiikulid
25. Sünaps (aksonaksoniline)
26. Sünapsipilu (ingl. k. synaptic cleft)

Närviraku membraan

Närviraku membraanid on justkui peaaju 'suhtlusvõrgustikud' (ingl communication centers), kuna läbi nende närvirakud suhtlevad, lisaks kontrollivad membraanid toitainete sisenemise ja jääkainete väljutamise protsesse.

Närviraku membraanides mängivad olulist rolli kaks molekulide rühma: lipiidid ja valgud. Lipiidide fraktsioon koosneb peamiselt fosfolipiididest, glükolipiididest ja kolesteroolist.

Membraanivalgud aga moodustavad molekulaarseid üksusi, mis talitlevad membraaniretseptorite (näiteks opioidretseptorid), -kanalite ja ensüümidena.

Närvirakkude klassifikatsioon

Närvirakke võib eristada mitmete tunnuste alusel, sealhulgas geeni ekspressiooni, morfoloogia, neurotransmitterite profiili, membraani biofüüsikaliste omaduste, erutuvuse ja muude tunnuste põhjal.

Morfoloogiline klassifikatsioon

Närvirakud jagunevad väga erinevateks rühmadeks. Jätkete olemasolu ja nende koguse järgi liigitatakse närvirakud:

• unipolaarsed ehk ainujätkelised neuronid – üheainsa jätkega, millel on nii dendriidi kui ka aksoni ülesanne, neid leidub silma võrkkestas;
• bipolaarsed ehk kahejätkelised neuronid – üks dendriit ja üks akson, neid leidub silma võrkkestas;
• multipolaarsed neuronid – palju dendriite ja üks akson, levinuim neuronite vorm inimesel.
• pseudounipolaarsed neuronid – dendriit ja akson on arenemise käigus kattunud ühise kattega ja ei ole seega valgusmikroskoobis teineteisest eristatavad, neid leidub spinaalganglionites;

• 

  Morfoloogilised närvirakutüübid:
  1. Unipolaarne neuron
  2. Bipolaarne neuron
  3. Multipolaarne neuron
  4. Pseudounipolaarne neuron

Signaalitöötlus

• Aferentsed neuronid – vahendavad informatsiooni väliskeskkonnast ja organitest kesknärvisüsteemis. Vahel nimetatakse ka sensoorseteks neuroniteks.
• Interneuronid – ühendavad närvirakke kesknärvisüsteemis. Siia kuuluvad kõik rakud mis ei ole aferentsed ega eferentsed neuronid.
• Eferentsed neuronid – vahendavad informatsiooni närvisüsteemist efektorrakkudele (lihased). Vahel nimetatakse ka motoorseteks neuroniteks.

Neurotransmitterite kasutus

Närvirakke võib eristada kasutatava neurotransmitteri ehk neurovirgatsaine alusel 

• Glutamatergilised neuronid – närvirakud, mis kasutavad erutusvirgatsainet glutamaati.
• GABAergilised neuronid – närvirakud, mis kasutavad pidurdusvirgatsainet GABA (gamma-aminovõihape).
• Kolinergilised neuronid – närvirakud, mis kasutavad neurovirgatsainena atsetüülkoliini. Näiteks alfamotoneuronid, mis kontrollivad lihasrakkude tegevust, on kolinergilised neuronid.
• Dopaminergilised neuronid – närvirakud, mis kasutavad neurotransmitterina dopamiini. Näiteks mustaines (ladina k. Substantia nigra) paiknevad närvirakud, mis Parkinsoni tõve vältel degenereeruvad, on dopaminergilised neuronid.
• Serotonergilised neuronid – närvirakud, mis kasutavad neurovirgatsainena serotoniini.
• Peptidergilised neuronid – närvirakud, mis sünteesivad ning vabastavad neuropeptiide (näiteks neuropeptiid Y, oksütotsiin, oreksiin jne.).

Oluline on rõhutada, et üks närvirakk võib kasutada mitut neurotransmitterit/neuropeptiidi. Näiteks toitumiskäitumist reguleerivad hüpotalamuse neuropeptiid Y positiivsed neuronid vabastavad ka pidurdusvirgatsainet GABA.

Närvi-tüvirakud

Erinevalt enamikust rakkudest närvirakud ei jagune. Närvirakke vahetavad välja närvi-tüvirakud, mis liiguvad hipokampuse (hammaskääru) ja haistmissibula kaudu peajju ja mis valmistatakse seal ette uuteks närvirakkudeks.

Areng jätkub ka pärast (kuni kuu ja kauem) närvipesasse asumist ja järk-järgult ka organismi kasvades.

Katsed närvi-tüvirakkudega on näidanud, et need võivad teatud närvirakkude kahjustumise korral spetsialiseeruda ka neurogliia hulka liigitatud rakkudeks, näiteks astrotsüütideks, oligodendrotsüütideks, Schwanni rakkudeks jne.

Patoloogia

Inimestel seostatakse närvirakkudega mitmesuguseid patoloogilisi ja haiguslikke seisundeid. Parkinsoni tõve põhjustavad uurijate arvates peaaju erinevates piirkondades hävivad närvirakud.

Inimeste nakatumisel inimese herpesviirus 1-ga (HSV-1) säilivad viiruseosakesed närvirakkudes kogu elu. Viiruse aktiveerudes liiguvad herpesviiruse osakesed närvikiudu pidi nahale ja võivad põhjustada osadel inimestel huuleohatise teket.

Kataboolne plasmiid

Kataboolne plasmiid on kromosoomiväline geneetiline element, mis võimaldab bakteril lagundada erinevaid ühendeid, kasutades neid süsiniku-, lämmastiku- või energiaallikatena. Plasmiidid on kuni mõnesaja tuhande aluspaari suurused ning nende omadusteks on võime iseseisvalt replitseeruda ja üle kanduda ühest rakust teise. Plasmiidid on ühed peamised horisontaalse geeniülekande vahendajad.

Üldjuhul on kataboolsete plasmiidide geneetiline materjal rõngakujuline, kuid esineb ka mõningaid lineaarseid vorme. Need on iseloomulikud grampositiivsetele bakteritele, eriti Rhodococcus'e liigile.

Plasmiidid annavad bakterile eeliseid kindlates keskkonnatingimustes hakkama saamiseks ja võimaldavad bakteril erinevate elutingimustega kohaneda. Kui plasmiidist bakterile kasu ei ole, on otstarbekam see eemaldada, kuna plasmiidi ülalpidamine on bakterile koormav. Kataboolsetel plasmiididel on rakus madal koopiaarv, piirdudes kõigest mõne koopiaga raku kohta. Koopiaarvu määrajaks on üldpõhimõte, et mida suurem plasmiid, seda vähem on rakus plasmiidi koopiaid. Koopiaarvu kontroll käib bakterirakus plasmiidi replikatsiooni initsiatsiooni kaudu.

Kataboolseid plasmiide leidub näiteks Pseudomonas'e, Aerobakter'i, Klebsiella, Erwinia ja Rhodococcus'e perekondades. Seega esineb kataboolseid plasmiide nii gramnegatiivsete kui ka grampositiivsete bakterite hulgas.

Kõik plasmiidid on paigutatud mittesobivusgruppidesse ehk Inc-gruppidesse. Samas sobivusgrupis olevad eritüübilised plasmiidid ühes bakterirakus stabiilselt koos eksisteerida ei suuda – nad on teineteisega vastuolus.

Ajalugu

1960ndatel avastasid Stanier, Palleroni ja Doudoroff esimest korda, et bakterid on suutelised lagundama. Teadlased näitasid, et sellise võimekusega on bakterite perekonna Pseudomonas esindajad. 1970ndatel jõuti edasiarenduseni ja Chakrabarty rääkis esimest korda kataboolsetest plasmiididest. Esimesteks plasmiidideks olid SAL, OCT ja CAM, mis on oma nime saanud aine järgi, mida lagundatakse (vastavalt salitsülaat, oktaan ja kamper). Kõik eelnevalt nimetatud plasmiidid leiti Pseudomonas’e perekonnast. Tänu molekulaargeneetilise analüüsi edule on tänaseks uurimise all väga suur hulk saprofüütilisi ehk laguproduktidest toituvaid pinnase baktereid.

Replikatsioon

Kataboolsete plasmiidide üks omadustest on võime replitseeruda iseseisvalt, sõltumata kromosomaalsest DNAst. See on plasmiidi ellujäämiseks bakterirakus vajalik. Plasmiididel on kolm replikatsioonimehhanismi: replikatsioon teetamudeli järgi, ahelate teisaldamise kaudu ja veereva ratta mehhanismiga.

Teetamudel

Kahesuunaline DNA replikatsioon teetamudeli järgi. Replikatsioonil teetamudeli järgi toimub esimeses etapis DNA ahelate lahtisulamine ja seejärel praimerite süntees. Praimerite pikendamise teel saadakse DNA lõigud, mis hiljem omavahel ühendatakse. Replikatsiooni tulemuseks on kaks kaheahelalist rõngas-DNA molekuli

Replikatsioon teetamudeli järgi on kõigist kolmest enim kirjeldatud. Replikatsiooni puhul on kõige tähtsam selle algus ehk ori. DNA süntees saab alata ühelt või ka mitmelt lähtekohalt. Ori sisaldab cis-toimivaid elemente, mis on vajalikud plasmiidi iseseisvaks replikatsiooniks ja sealt saab alguse kogu protsess. Lisaks cis-toimivatele elementidele on replikatsiooni alguseks tarvilik Rep valgu olemasolu. Rep valk on replikatsiooni initsiaatorvalk, mis seostub ori põhilise elemendi, iteroniga.

Iteronid on vajalikud replikatsiooni protsessi alustamiseks ja kontrolliks. Lisaks Rep valgule on replikatsiooni toimimiseks vaja kromosomaalselt kodeeritud valku DnaA. DnaA seostub spetsiifiliselt ori piirkonnas asuva DnaA boksiga, mille tulemusel algab DNA kaksikahela lahtisulamine AT-rikkas alas. Pärast DNA ahelate lahtisulamist algab praimer RNA süntees ja DNA süntees läbi praimeri pikendamise. DNA süntees on ühel ahelal pidev, niinimetatud juhtiv ahel, ning teisel katkendlik, niinimetatud lohisev ahel.

DNA süntees võib toimuda nii ühe- kui ka kahesuunaliselt.

Ahela teisaldamise mehhanism

Võrreldes teeta-mudeliga ei vaja ahela teisaldamise mehhanism replikatsiooniks DnaA-d, selle funktsiooni täidavad plasmiidi kodeeritud replikatsioonivalgud RepA (helikaas), RepB (primaas) ja RepC (initsiaator). Tänu eespool nimetatud valkudele ei sõltu antud replikatsioonimudel peremeesrakust ja plasmiid omab seetõttu laia peremeesorganismide ringi. DNA ahelate lahtisulamine toimub nagu ka eelneva mudeli puhul AT-rikkas alas ja selle eest vastutab RepA. Replikatsioon toimub kahesuunaliselt ja mõlemal ahelal pidevalt, tõrjudes välja komplementaarse ahela.

Veereva ratta mudel

Replikatsioon toimub veereva ratta mudeli järgi ühesuunaliselt, kus juhtiva ja mahajääva ahela süntees toimub teineteisest sõltumatult. Replikatsioon algab Rep valgu seostumisega DNA ahelale ja teeb sinna väikese katke. Selle käigus tekib DNA ahelas vaba 3’OH ots, mida kasutatakse praimerina juhtiva ahela sünteesiks. DNA ahela 3’OH otsast pikendamisega ehk uue ahela sünteesiga kaasneb vana pluss ahela eemaldamine, kuid kaks ahelat jäävad omavahel kovalentselt seotuks.

Juhtiva ahela sünteesi lõppsaaduseks on kaheahelaline plasmiidne DNA ja üksikahelaline DNA molekul, millele hiljem sünteesitakse komplementaarne ahel.

Stabiilsus

• Plasmiidide püsivus mitme generatsiooni vältel on kindlalt tagatud eri mehhanismide poolt:
  • aktiivne jaotumine jaotab plasmiidi koopiad jaguneva bakteri tütarrakkudesse;
  • multimeeride lahutamise mehhanism (ingl multimer resolution) võimaldab plasmiide teineteisest eraldada;
  • postsegregatsiooniline tapmine (ingl postsegregational killing) põhjustab surma tütarrakul, mis endale plasmiidi ei saanud.

Konjugatsioon

Kataboolsete plasmiidide suurus on seotud nende võimega ise ühest rakust teise üle kanduda. See protsess toimub konjugatsiooni abil – saavutatakse rakk-rakk kontakt ning plasmiid saab ühest bakterirakust teise liikuda. Konjugatsioon saab toimuda tra geenide olemasolul. Geeni avaldudes hakkab bakterirakk tootma õhukesi, juukse-taolisi sugukiudusid (ingl Sex pili). Selle abil kinnitutakse retsipiendi ehk vastuvõtja raku külge ja kantakse sinna plasmiidi koopia. Konjugatsioon ei ole bakteri eksisteerimiseks hädavajalik, vaid valikuline tegevus. Konjugatsiooni abil on plasmiidid suutelised üle kanduma erinevatesse bakteriliikidesse ja omavad seeläbi laia peremeesringi. Erinevate bakterite kataboolsete geenide kombineerimise tulemusel on võimalik saavutada täiesti uus kataboolne aktiivsus. Näiteks kui võtta TOL-plasmiid ja viia see bakterisse, mis on võimeline lagundama 3-klorobensoaati, on tulemuseks rakk, mis suudab lagundada nii toluaati kui ka 3-klorobensoaati.

Transposoonid

Plasmiidil asub hulk geene ja mõnel juhul võivad geenide kobarad esineda transponeeruvate elementide sees. Sel juhul liiguvad geenid koos transponeeruvate elementidega plasmiidi ja kromosoomi vahel. Mitmed uued kataboolsed rajad ja ümberkorraldused DNA järjestuses on tekkinud tänu transponeeruvatele elementidele. Geenide ümberkorraldused, transponeeruvad elemendid ja suure peremeesringiga plasmiidid kujutavad endast võimsat evolutsioonilist masinavärki, mille abil tekivad bakterid, kes on võimelised kiiresti lagundama ja ringlusse suunama mutageenseid, kartsinogeenseid ja/või teratogeenseid kemikaale, näiteks trikloroetüleen ja dioksiin.

Kasulikkus

Kataboolsed plasmiidid võimaldavad peremeesorganismil kasutada mitmeid looduslikke ja sünteetilisi ühendeid süsiniku-, lämmastiku- ja energiaallikana. Selle eest vastutab suur hulk kataboolse plasmiidi geene, mängides olulist rolli Maa süsinikuringes. Tänu võimele lagundada toksilisi ja sünteetilisi ühendeid võitlevad kataboolsed plasmiidid keskkonna saastatuse vastu. Nii ongi kataboolsete plasmiidide üheks kasutusalaks biotervendamine, kus toimub mürkide, raskestilagunevate ja plahvatusohtlike ainete lagundamine. Et lagundamise lõppsaaduseks oleks võimalikult kahjutu ühend, on vajalik paljude bakteriliikide koostöö. Suurendamaks kataboolsete plasmiidide kasulikkust on inimesed õppinud muutma kataboolsete operonide ehk geenide rühma struktuuri. Võrdlemisi lihtsaks on tänapäeval muutunud lagundavate geenide või operonide viimine teise bakteriliiki ning geenide ümberkorraldamine, lisamine ja eemaldamine. Sel viisil on võimalik saada täiesti uus lagundamisrada või täiesti uus kataboolne geen. Pinnase biotervendamisele aitavad kaasa ka erinevad organismid. Näiteks aitavad vihmaussid plasmiidil pJP4 levida ka pinnase alumistesse kihtidesse.

Kataboolse plasmiidi geene on kloneeritud ka taimedesse, tekitades näiteks resistentsuse ehk vastupidavuse mingi kindla mürgi vastu. Geen, kodeerides valku, mis vähendab mürgi mõju taimele, alandab taime kahjustuste hulka. Tulevikus loodetakse kataboolsetest geenidest veelgi kasu saada. Nii on võimalik panna bakterit tootma biolagunevat plasti, biokütust, tööstusaineid ja bioloogilisi ravimeid.