Rakumembraan ehk tsütoplasma membraan

Rakumembraan ehk tsütoplasma membraan ehk plasmamembraan ehk välismembraan (membrana cellularis, pellicula, peanalis) on bioloogiline membraan, mis eraldab rakku teda ümbritsevast keskkonnast ning reguleerib molekulide liikumist rakku ja sellest välja. Taimeraku välismembraani nimetatakse sageli plasmalemmiks või plasmalemmaks. Rakumembraan koosneb lipiidsest kaksikkihist (peamiselt fosfo- ja glükolipiidid ning steroolid) ja valkudest ning selle peamine ülesanne on raku sisekeskkonna kaitsmine väliste mõjude eest. Sarnased membraanid (sisemembraanid) ümbritsevad ka raku sees olevaid organelle.

Rakumembraani skeem

Rakumembraani läbimõõt on 6–10 nm^[viide?] ning seetõttu pole see valgusmikroskoobis nähtav.

Rakumembraan on aineid selektiivselt läbi laskev. See tähendab, et teatud tüüpi molekulid (eelkõige väikesed molekulid nagu hapnik ja süsihappegaas) läbivad rakumembraani vabalt difundeerides (st iseenesest), kuid teised (nt aminohapped, glükoos) vajavad selleks rakumembraani läbivate valgukanalite või transportvalkude olemasolu. Makromolekulide transport rakku toimub aga rakumembraani sissesopistumise (endotsütoos) teel.

Rakumembraani valgud võivad paikneda membraani välisküljel, siseküljel või integraalselt (st läbivad membraani). Rakumembraani välispinnal olevatele valkudele ja lipiididele kinnituvad sageli lühikese ahelaga ja (enamasti) hargneva struktuuriga süsivesikud. Süsivesikutega seondunud valke ja lipiide nimetatakse glükoproteiinideks ja glükolipiidideks ning need moodustavad raku glükokalüksi, mis toestab ilma rakuseinata rakke. Rakumembraani välispinnal olevatel molekulidel on sageli retseptori funktsioon.

Enamikul rakkudel on membraanipotentsiaal, see tähendab, et raku välis- ja sisekeskkonna elektripotentsiaalid on erinevad. Ainete ja elektrilaengute erineva jaotuse tõttu tekib elektrokeemiline gradient.

Loomarakkude välismembraanidel esinevad mikrohatud ehk mikronarmakesed – kulenditaolised väljasopistused, mis suurendavad membraani pinda.

Funktsioonid

Rakumembraanil on palju funktsioone. Raku välismembraan kaitseb raku sisekeskkonda väliste mõjude eest, reguleerib ainete transporti ja kommunikatsiooni teiste rakkudega. Lisaks osaleb rakumembraan raku toestamises, kuna sellele kinnitub raku tsütoskelett.

Isolatsioon

Üks rakumembraani tähtsamaid funktsioone on isolatsioon ehk raku sisekeskkonna eraldamine väliskeskkonnast.

Taimedel, seentel ja bakteritel on peale rakumembraani ka rakusein, mille peamine funktsioon on raku toestamine, aga ka ainete valikuline läbilaskmine.

Valikuline (selektiivne) läbilaskmine

 

 

seeläbi

Rakumembraan koosneb fosfolipiididest ja selles paiknevatest valkudest. Mõned ained (näiteks vesi, dihapnik ja väikesed hüdrofoobsed molekulidd) liiguvad sisenevad rakku passiivse difusiooni teel. Osad ained (nt aminohapped) vajavad rakumembraani läbivaid valgukanaleid või transportvalke. Makromolekulid (nt valgud ja süsivesikud) sisenevad rakku aga membraani sissesopistumise ehk endotsütoosi teel.

Ainete transport

 Rakule on vajalik ainevahetus raku sise- ja väliskeskkonna vahel. Rakumembraan reguleerib ainete transporti rakku ja sellest välja. Mitmesuguste protsesside jääkproduktid tuleb rakust eemaldada, kui nad on ebavajalikud või koguni rakule kahjulikud. Ainete transport rakku võib olla kas passiivne (see ei vaja energiat) või aktiivne (selleks tuleb kasutada energiavarusid). Ained liiguvad mitme protsessi abil:

• difusioon – molekulide iseeneslik liikumine mööda kontsentratsioonigradienti (passiivne transport; läbi rakumembraani liiguvad nõnda ainult väikesed molekulid);
• osmoos (difusiooni variant) – veemolekulide liikumine läbi poolläbilaskva membraani;
• valkkandjate ja -kanalite abil (aktiivne ja passiivne transport);
• endotsütoos – aktiivse transpordi viis, mille käigus rakumembraan sopistub sissepoole, moodustades tsütoplasmas keraja vesiikuli ehk endosoomi;
• eksotsütoos – aktiivse transpordi viis, mille käigus molekulid (nt neurotransmitterid, valgud) transporditakse rakust välja vesiikulites, mis ühinevad raku välismembraaniga ning väljutavad seeläbi oma sisu rakust.

Kaitse

 Rakud peavad end kaitsma väliskeskkonna järskude muutuste eest. Sageli muutuv pH ning soolade ja ioonide tasakaal ohustab rakus toimuvaid reaktsioone. Membraan hoiab glükolipiidide ja glükomembraanide abil selle kahjuliku mõju ära. Nende ainete "sabakesed", mis koosnevad mitmesugustest suhkrutest, on eriti tähtsad raku kaitsmiseks pH järskude kõikumiste eest.

Raku kuju ja rakkude kinnitumine

Rakumembraan on elastne ning ise rakku ei toesta. Samas kinnitub membraanile rakku toestav tsütoskelett, mis annab rakule vajaliku kuju ja kaitseb seda deformeerumise eest. Raku toestamine on oluline kudede moodustumiseks ja nende kooskõlaliseks funktsioneerimiseks. Paljudel rakutüüpidel on eriline kuju, täitmaks spetsiifilisi funktsioone. Näiteks neuronitel on väljaulatuvad jätked signaalide edastamiseks pika vahemaa taha.

Epiteelirakkude membraanid on rakkude tiheda seondusega kokku haagitud.

Tsütoskelett

Tsütoskelett ehk rakuskelett on raku tsütoplasmas paiknev valkudest koosnev niitjate ja torujate struktuuride võrgustik, mille peamised ülesanded on rakule kuju andmine ja selle säilitamine ning organellide ja kudede stabiliseerimine. Lisaks moodustab tsütoskelett rakujätkeid, osaleb raku migratsioonis, signaaliülekandes ning ainete transpordis.^[1]

Eukarüootsete rakkude tsütoskeletid. Aktiinifilamendid on tähistatud punasega, mikrotuubulid rohelisega ja rakkude tuumad sinise värviga

Tsütoskelett koosneb kolme tüüpi kiududest: mikrofilamentidest ehk aktiinifilamentidest (läbimõõt 6–7 nm), intermediaarsetest filamentidest (läbimõõt 8–10 nm) ja mikrotuubulitest (läbimõõt 15–20 nm). Tsütoskeleti mõiste võttis 1931. aastal kasutusele Paul Wintrebert. Tsütoskelett on dünaamiline struktuur, mille osad on pidevas muutumises.

Tsütoskeletil on raku füsioloogias mitu funktsiooni. Rakuskelett annab rakule kuju ja kaitseb mehaanilise deformatsiooni eest. Tsütoskelett seostub rakuvälise sidekoega ning stabiliseerib seeläbi kudesid. Rakus moodustab see niitjatest ja torujatest elementidest koosneva võrgustiku, mis on oluline signaaliülekandeks, raku migratsiooniks, ainete transpordiks. Lisaks on tsütoskelett oluline rakujagunemisel, näiteks kromosoomide lahknemisel mitoosis ja meioosis ning tsütoplasma jagunemisel tsütokineesis. Teatud rakutüüpides on tsütoskeletil eriülesanded, näiteks lihasrakkudes seostuvad aktiinifilamendid müosiiniga ja põhjustavad lihase kokkutõmmet ehk lihaskontraktsiooni. Tsütoskelett moodustab rakkudes mitut tüüpi jätkeid (nt lamellopoodid, podosoomid või viburid), mis võimaldavad rakul keskkonnas vähemal või rohkemal määral liikuda.

Eukarüootide tsütoskelett

Eukarüootsete rakkude tsütoskelett koosneb kolme tüüpi elementidest: aktiinist koosnevad mikrofilamendid, ligi 70 erinevast valgust moodustuvad intermediaarsed filamendid ja tubuliinist koosnevad mikrotuubulid.

Mikrofilamendid ehk aktiinifilamendid

Aktiinifilamendid on niitjad struktuurid, mis moodustuvad valgu G-aktiin (globulaarne aktiin) polümeriseerumisel F-aktiiniks (fibrillaarne aktiin). Aktiinifilamendid on polaarsed, ning uued G-aktiini alamühikud lisanduvad alati filamendi pluss (+) poolusele. Aktiinifilamentide pikenemine polümeriseerumisel võimaldab deformeerida rakumembraani ning vahendada seeläbi jätkete moodustumist ja raku liikumist. Aktiinifilamentidega interakteeruvad mitmed valgud. Näiteks müosiin liigub mööda polaarseid aktiinifilamente, vahendades rakusisest transporti või raku kontraktsiooni lihasrakkudes.

Intermediaarfilamendid

Intermediaarsed filamendid on keskmiselt 10 nm läbimõõduga kiud. Erinevalt aktiinifilamentidest ja mikrotuubulitest on intermediaarsed filamendid stabiilsemad ja koostiselt heterogeensemad. Intermediaarsed filamendid võivad koosneda näiteks vimentiinist, keratiinist, laminiinist jne. Intermediaarsed filamendid on olulised raku kuju säilitamisel ning mängivad tähtsat rolli rakkude omavaheliste ning rakkude ja rakuvälise maatriksi vaheliste liiduste moodustumisel.

Mikrotuubulid

Mikrotuubulid koosnevad polümeriseerunud alfa- ja beetatubuliinist moodustunud protofilamentidest. Mikrotuubulid on 23 nm läbimõõduga õõnsad silindrid, mis reeglina moodustuvad 13 protofilamendist. Nad on sarnaselt aktiinifilamentidega polaarse ehitusega. Rakus täidavad mikrotuubulid mitmeid funktsioone, mille hulka kuuluvad rakusisene transport (nendega seonduvad düneiinid ja kinesiinid), raku liikumine ning rakkude ja kromosoomide jagunemine mitoosis ja meioosis. Tsentrosoom on mikrotuubulite orientatsiooni koordineeriv organell.

Prokarüootide tsütoskelett

Kuigi algselt arvati, et tsütoskelett esineb ainult eukarüootsetel rakkudel, on praeguseks eukarüootide rakuskeleti valkude homolooge leitud ka mitmetel prokarüootidel.

Pinotsütoos

Pinotsütoos (ka nn raku joomine) on üks endotsütoosi tüüpidest, kus väikesed osakesed (partiklid), mis on lahustunud vesiikulites, tuuakse rakumembraani sopistumisel raku tsütoplasmasse. Seal need tavaliselt lagundatakse lüsosoomides.

Pinotsütoos skemaatiliselt

Pinotsütoosi omapära seisneb selles, et sel viisil ühineb vesiikul rakuga ilma rakumemembraani läbimata. Pinotsütoosi realiseerumiseks vajab rakk ATP-d (adenosiintrifosfaat).

Endotsütoos

Endotsütoos on väliskeskkonnast transportvesiikulite abil makromolekulaarsete komponentide omastamine. Makromolekulid seonduvad membraani või retseptoriga ja see põhjustab plasmamembraanist koosneva vesiikuli moodustumise ehk endosoomi, mis tagab transporditavate ainete jõudmise rakku. Makromolekulaarsed ained ei läbi passiivselt hüdrofoobset plasmamembraani ning peavad seetõttu kasutama endotsütoosi. Mõiste võttis kasutusele 1963. aastal Christian de Duve. Endotsütoosile vastupidine protsess on eksotsütoos.

Endotsütoosi tüübid

Fagotsütoos

Fagotsütoos esineb rakkudes, mis on spetsialiseerunud suuremate partiklite ja mikroorganismide fagotsüteerimisele ehk kahjutuks tegemisele. Imetajates on nendeks ühisest eellasest arenenud makrofaagid ehk suur-õgirakud ning neutrofiilid ehk vere valgelibled, mis suuri võõrkehi "alla neelates" moodustavad fagosoomi. Fagosoomiga interakteerudes moodustab lüsosoom fagolüsosoomi. Paljudele ainuraksetele loomadele on fagotsütoos ainus toitumisviis.

Pinotsütoos

Pinotsütoos on lahustunud makromolekulide sissevõtmine väikeste vesiikulite abil. Pinotsütoos jaguneb kolmeks alatüübiks:

1. Retseptorseoseline selektiivne endotsütoos. Kõigepealt seondub makromolekul rakumembraanis paikneva retseptoriga ning seejärel retseptor-ligandi kompleks assimileeritakse endotsütoosi teel ning moodustub transportvesiikul. Sellel on kaks mehhanismi:
   1. Klatriinisõltuv endotsütoos. Selle mehhanismi puhul on retseptorid kogunenud plasmamembraani teatud piirkonda, mida nimetatakse kaetud lohuks (coated-pit). Kaetud vesiikuli (coated vesicle) moodustumisel osaleb valk dünamiin. Vesiikul kaetakse klatriiniga, et toimuks suunatud liikumine Golgi kompleksi ja endosoomide vahel. Kui vesiikul on ühinenud endosoomiga, siis saadetakse klatriin raku välismembraani tagasi. Seda tüüpi endotsütoosi kasutavad kõik eukarüootsed rakud, et omastada vajalikke toitaineid ja signaalmolekule. Samuti eemaldatakse selle mehhanismi abil väliskeskkonnast potentsiaalselt kahjulikke ühendeid. Näiteks sisenevad rakkudesse madala tihedusega lipoproteiinid (LDL), mis sisaldavad kolesterooli, transferriini jt. ühendeid. LDL retseptori puudumine põhjustab hüperlipideemiat, mis põhjustab kolesterooli kuhjumist organismis ning ateroskleroosi.
   2. Kaveoliinisõltuv endotsütoos. Kaveoliinid on valgud, mis vastutavad, et kaveoolide pealt toimuks seostumine kolesterooliga. Kaveoolid on suhteliselt stabiilsed 50–80 nm laiused raku membraani sissesopistused, mis on retseptoriteks spetsiifilistele molekulidele, näiteks kõrge tihedusega lipoproteiinidele (HDL). Imetajates ekspresseeritakse 3 erinevat kaveoliinivalku.
2. Kaveoliinist ja klatriinist sõltumatute vesiikulite teke. Järgmised endotsütoosi mehhanismid on kõige vähem kirjeldatud ning nende toimumise mehhanismid on veel paljuski ebaselged:
   1. CLIC/GEEC tüüpi endotsütoos. Kasutatakse CLIC (clathrin-independent carrier) ehk klatriinisõltumatu kandjate ja GEEC (GPI-anchored protein-enriched early endocytic compartment) ehk GPI-ankurdatud valgurikaste varajaste endotsütootiliste kompartmentide osa omavahelist koostööd. Seda tüüpi endotsütoosi vahendab GRAF-1 valk, mille abil sisenevad rakku bakteriaalsed eksotoksiinid, GPI-ga ankurdatud valgud ja muud ühendid.
   2. Flotilliinisõltuv endotsütoos. Flotilliinid moodustavad lipiidsete parvede sarnaseid piirkondi, sest nad asuvad kolesteroolirikastes regioonides. Sellist mehhanismi kasutati ka kaveoliinisõltuva endotsütoosi puhul.
3. Makropinotsütoos. Põhjustab struktuurseid muutusi raku membraanis, mille tagajärjel moodustuvad väljasopistused, mis on võimelised haarama lahustunud aineid. Lahustunud makromolekulid sisenevad rakku umbes 0,5–5 μm laiusega vesiikulite ehk makropinosoomide abil. Makropinotsütoos on mittespetsiifiline endotsütoos, mille puhul ligandi seondumine retseptorile pole vajalik.

Pildil on põhilised endotsütoosi komponendid ja mehhanismid

Endotsütoosi ja lüsosoomi ühendus

Lüsosoom on membraaniga ümbritsetud hüdrolüütilisi reaktsioone teostav organell ning katalüüsimisele kuuluv aine saadakse endotsütoosi teel moodustunud vesiikulitest. Kõigepealt toimub väliskeskkonnast endotsütoosi teel vesiikuli moodustumine, mis ühineb varajase endosoomiga. Seal eemaldatakse spetsiifilised retseptorid, mis transporditakse tagasi plasmamembraani koostisse. Varajased endosoomid muutuvad aja möödudes hilisteks endosoomideks, kuhu transporditakse trans-Golgi kompleksist ka happelisi hüdrolüüse. Viimati nimetatud transpordiks on vajalik mannoos-6-fosfaat retseptor, mis eemaldub hilises endosoomis ning liigub hiljem tagasi Golgi kompleksi. Hilised endosoomid muutuvad lüsosoomideks, kus algab ainete degradeerimine ehk lahustumine. Endosoomide küpsemisel mängib rolli pH langus ehk hapestumine, mida reguleerivad ATP-sõltuvad prootonpumbad ja ioonkanalid. Varajastes endosoomides on pH umbes 6,2 ning hilistes endosoomides on pH umbes 5,5.

Eksotsütoos

Eksotsütoos on transportvesiikulite abil sisekeskkonnast makromolekulaarsete komponentide omastamine ning nende ühinemine raku välismembraaniga.

Eksotsütoosi rajad

1. Pidev ehk konstitutiivne tee. Transpordivesiikulid kannavad pidevalt membraanikomponente Golgi kompleksist välismembraani, kus toimub mittevajalike valkude eksotsüteerimine rakust välja. Eksotsütoosi teel toimub pidev plasmamembraani uuenemine.
2. Reguleeritud tee. Vajalikud on signaaljärjestused, mis määravad valkude jõudmise trans-Golgist sekretoorsetesse vesiikulitesse. Sekreteeritavad ained kogutakse sekretoorsetesse vesiikulitesse ning need ühinevad välismembraaniga pärast keskkonnast tulevat signaali, milleks võib olla hormoon või neurotransmitter. Signaali äratundmise tagajärjel tõuseb kaltsiumioonide kontsentratsioon ning seejärel aktiveerub reguleeritud eksotsütoos. Selline rada esineb neis rakkudes, mis on spetsialiseerunud oma toodangu kiirele eritamisele.

Mõned näited reguleeritud endotsütoosist:

• Rakkudevahelise suhtluse tagab eksotsütoos, mis on oluline immuunsüsteemis olevatele T-rakkudele. T-rakud ehk tappurrakud on võimelised identifitseerima organismile võõraid objekte, näiteks viirusi. T-rakud eritavad tsütokiine, mis aktiveerivad omakorda teisi tappurrakke ning takistavad rakus viiruste paljunemist raku apoptoosiga ehk raku programmeeritud surmaga. T-rakud liiguvad nakatunud rakule väga lähedale ning signaali toimel vabaneb T-rakkudest perforiinproteiin, mis kaltsiumioonide toimel kinnitub sihtraku plasmamembraanile. Selle tulemusena läheb rakk apoptoosi.
• Neuron ehk närvirakk on kohastunud närviimpulsside edasikandmiseks. Teiste rakkudega on ta ühenduses signaalainete kaudu. Neuroni aksoni terminaalis olevatest sünaptilistest vesiikulitest sekreteeritakse neurotransmittereid, mis kannavad närviimpulsi edasi postsünaptilisele rakule.

Endotsütoosi ja eksotsütoosi tasakaal

Raku ruumala ja pindala on konstantsed ehk püsivad, seega endotsütoosi ja eksotsütoosi omavaheline tasakaal peab olema stabiilne, et tagada võimalikult püsiv rakusisene keskkond. Iga vesiikul on määratud ühinema ainult kindla membraaniga. Tulemuseks on makromolekulide suunatud liikumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel. Transportvesiikulite teket katalüüsivad spetsiifilised kattevalgud. Katetena kasutatakse sihtkoha-spetsiifilisi valke:

• Klatriin. Klatriiniga kaetud vesiikulid liiguvad plasmamembraani ja endosoomide vahel, samuti trans-Golgi retiikulumi ja endosoomide vahel. See mehhanism ei vaja ATP-d.
• COP valgud. Nende moodustatud katte tekkeks on vaja lisaenergiat, mis saadakse ATP hüdrolüüsi käigus. Sõltuvalt sihtmembraanist jaotatakse COP valgud järgnevalt kaheks:
  • COP I – transpordib vesiikuleid cis-Golgi kompleksist endoplasmaatilisse retiikulumi.
  • COP II – transpordib vesiikuleid endoplasmaatilisest retiikulumist cis-Golgi kompleksi.

Et transportvesiikulid tunneksid ära õige sihtmembraani, osalevad protsessis SNARE-valgud. SNARE-valgud on transmembraansed valgud, mis jagunevad vastavalt kaheks, kas valk asub vesiikulil (vSNARE) või sihtmembraanil (tSNARE). Vesiikuli ühinemine sihtmembraaniga ei toimu iseeneslikult, vajalikud on Rab perekonna GTP siduvad valgud

Makrofaagid

Makrofaagid (lad macrophagus, macrophagocytus, kr makros suur + kr phagein sööma + kr kytos rakk) on paljude selgroogsete loomade kehas, erinevates kudedes, elunevad suured õgirakud.

Makrofaagid pärinevad luuüdi tüvirakkudest. Veres ringlevaid makrofaage nimetatakse ka valgeteks vererakkudeks, mis tekivad monotsüütide diferentseerumisel. Makrofaagid on võimelised veresoontest väljuma ja sisenema patogeenide atakeerimiseks kudede rakkudevahelisse ruumi.

Makrofaagide ülesanded pole seni veel päris selged; arvatakse, et nad kõrvaldavad paranevatest kudedest surnud rakkude jäänuseid, mikroobe, kasvajarakke ja stimuleerivad lümfoid(-immuun)süsteemi rakke atakeerimaks patogeene.

Adelaide'i Ülikoolis tehtud uuring näitas, et makrofaagid on vastutavad hormoon progesterooni, mida peetakse oluliseks raseduse hormooniks, tootmise eest.

Roomajatel

Maolistel

Madude makrofaage on vähe uuritud, kuid arvatakse, et morfoloogiliselt sarnanevad nad teiste selgroogsete loomade makrofaagidega. Maksas, põrnas, neerudes ja kroonilistes põletikukolletes on neil (sarnaselt kalade ja kahepaiksetega) tuvastatud melanomacrophages.

Imetajatel

Imetajatel on makrofaagid sünnijärgselt kõikides kudedes.

Inimestel

Koemakrofaagid

Makrofaagid paiknevad organismis eri kudedes ja eri kogustes, nii näiteks paiknevad peaajus mikrogliia rakud, mis moodustavad ligi 15% peaaju rakkude populatsioonist.

Funktsioonidest lähtuvalt kannavad koemakrofaagid erinevaid nimetusi.

Raku nimetus	Elundi, koe nimetus
Alveolaarmakrofaagid	kopsualveoolide vaheseintes ja alveoolides
Rasvkoe makrofaagid	rasvkude
Histiotsüüt	sidekude
Kupfferi rakk	maks
Mikrogliia	peaaju närvikude
Epiteelirakusarnane sidekoerakk	granuloom
Luud hävitav rakk	luu
Hofbauer cell	emakook
Urgesoon(kapillaar)te katterakud	põrn
Gigantrakud ingl k Giant cells	Connective tissue
Kõhukelme makrofaagid	kõhukelmeõõs

Makrofaagid on olulised organismi lümfisüsteemi töös ning rakulise immuunsuse tagamisel. Nad osalevad fagotsütoosis (lagundavad võõraineid), põletikureaktsioonis, kasvajarakkude fagotsütoosis ja immuunsuse kujunemises mõjutades ning stimuleerides teisi lümfisüsteemi rakke, nt lümfotsüüte.

Makrofaagid kasvajarakku õgimas

Makrofaage ringleb hulgaliselt lümfoidkudedes, näiteks lümfisõlmedes. Humoraalse immuunsüsteemi sekretsiooni tulemusel moodustub antikeha ja antigeeni ühinemisel kompleks, mis haaratakse ja hävitatakse makrofaagide poolt.

Mõned bakterid, näiteks tuberkuloosi mükobakter, on makrofaagide toimele resistentsed.

Makrofaagide eritised

Eri kudedes paiknevad makrofaagid on võimelised erinevaid patogeenidele toksiinina toimivaid molekule ja eritisi komplekteerima ja eritama. 

Makrofaagid eritavad rohkem kui 50 bioloogiliselt aktiivset ainet, näiteks valke, lipiide, hapniku metoboliite, ensüüme, ensüümi inhibiitoreid jpt. Munandites paiknev makrofaagide populatsioon eritab ainet, mis stimuleerib Leydigi rakke, et need eritaksid testosterooni.

Patoanatoomia

Ateroskleroos ehk luude hõrenemine

Aterosklerootiliste naastude iseloomulikuks tunnuseks on proinflammatoorsete tsütokiinide TNF-α ja IL-6 eritamine makrofaagide poolt.

Leepra

Leepra mükobakter, leepra põhjustaja, seondub peremeesrakkude pinnal olevate retseptoritega ja ta fagotsüteeritakse raku poolt, edasi paljuneb bakter makrofaagide sees.

Omandatud immuunpuudulikkuse sündroom

Arvatakse, et makrofaagidel on oluline roll ka inimese immuunpuudulikkuse viiruse reservuaarina.

Põletikulised haigused

Makrofaage seostatakse (on tuvastatud) mitmete põletikuga kulgevate haiguslike seisunditega, nagu insuliiniresistentsus, kasvajad jpt.

Reumotoidartriit

Makrofaagidel on oluline roll reumatoidartriidi patogeneesis.

Tuberkuloos

Arvatakse, et tuberkuloosi mükobakter, mis põhjustab tuberkuloosi, suudab vältida makrofaagide toksilisi sekretsioone ja kasutab makrofaage paljunemiskeskustena.

Tulareemia

Arvatakse, et bakteri Francisella tularensis poolt põhjustatud tulareemia korral, mõjutavad bakterid makrofaagide surma nii, et selle kaudu kanduksid võimalikult paljud baktereid organismi laiali.

Ajaloolist

Makrofaagid avastas 1884. aastal Venemaa bioloog Ilja Iljitš Metšnikov.

Fagotsütoos ja Fagotsüüt

Fagotsütoos on õgirakkude (fagotsüütide) toimimine organismi kaitsjana. Fagotsütoos üks kahest endotsütoosi tüübist (teine on pinotsütoos), kus rakk "imeb" membraani sisse võrreldes pinotsütoosiga suhteliselt suuremaid partikleid (näiteks baktereid).

Organismi seisukohalt võib fagotsütoos olla kaitsereaktsioon, mille puhul fagotsüüdid ehk õgirakud kapseldavad endasse kehavõõraid osakesi (milleks võib olla bakter, viirus või kahjustatud kude) ja hävitavad need lagundamise teel.

Mõned pisielurid (näiteks algloomad) toituvad fagotsütoosi teel.

Fagotsüüt ehk õgirakk on loomorganismi rakk, mis lagundab fagotsütoosi teel sinna sattunud võõrkehi (nt baktereid) ja apoptoosi läbinud raku osakesi. Seega mängivad fagotsüüdid olulist rolli hulkraksete organismide immuunsüsteemi talitluses.

Teatud suuri õgirakke nimetatakse makrofaagideks.

Golgi kompleks

Golgi kompleks (GK), ka Golgi keha ja Golgi aparaat, on enamikus eukarüootsetes rakkudes leiduv, tsütoplasmavõrgustikuga seotud rakuorganell.

Golgi kompleksi avastas 1897. aastal Itaalia teadlane Camillo Golgi, kelle järgi see ka nimetati. Golgi kompleksis toimub valkude ja lipiidide töötlemine, spetsiaalsetesse vesiikulitesse pakkimine ning seejärel lõplikesse sihtkohtadesse saatmine.

Inimese leukotsüüdi Golgi kompleks vaadelduna mikroskoobiga. Pildil on näha poolringikujuliste mustade ringide kogum ja mitmed ümmargused vesiikulid

Camillo Golgi (1843–1926)

Avastamine

 Üsna suurte mõõtmete tõttu oli Golgi kompleks üks esimesi avastatud ja detailselt uuritud organelle. See avastati 1897. aastal, kui uuriti närvirakkude (täpsemalt Purkinje rakkude) ehitust, Camillo Golgi (1843–1926) poolt, kelle järgi sai see ka nimetuse. Ta kasutas selleks enda väljatöötatud histoloogilist värvimist (nn must reaktsioon, mis põhineb raskmetallidega värvimisel) ning kirjeldas rakkudes korvitaolist moodustist, mis paikneb tuuma ümbruses. Ta avaldas 1898. aastal oma töö, kus ta nimetas seda struktuuri apparato reticolare interno'ks ehk sisemiseks retikulaarseks aparaadiks.^[1] Hiljem hakati selle asemel kasutama terminit "Golgi kompleks". Camillo Golgi avastust peeti esialgu tema uudsest uurimismeetodist tulenevaks optiliseks illusiooniks. Kaasaegsete mikroskoopide leiutamisega 20. sajandil sai kinnitust ka Golgi kompleksi olemasolu.

Struktuur

Golgi kompleks on membraanidest ja kanalitest moodustunud lamedate põiekeste või tsisternide kogum, mida ümbritsevad membraaniga kaetud vesiikulid. Taimedes leiduvat Golgi tsisternidekuhja nimetatakse vahel diktüosoomiks. Imetajaraku Golgi kompleks koosneb tavaliselt 40–100 tsisternide kuhjast ning üks kuhi koosneb enamasti 4–8 hantlikujulisest tsisternist. Erinevalt endoplasmaatilisest retiikulumist (ER) ei ole Golgi kompleksi membraanid omavahel ühendatud. Iga tsistern sisaldab spetsiaalseid Golgi ensüüme, mis modifitseerivad GK-d läbivaid valke.

Golgi kompleksis eristatakse kolme funktsionaalset piirkonda: cis-, kesk- ja trans-Golgi. Nii cis- kui ka trans- külg on tihedalt seotud struktuuridega, mida nimetatakse vastavalt cis- ja trans-Golgi võrgustikuks.

• Cis-Golgi võrgustik (CGN) on kõige tuumapoolsem. Tema ülesandeks on võtta vastu ER-ist tulevaid sünteesitud valke.
• Trans-Golgi võrgustik (TGN) on rakumembraanipoolne piirkond. Temast punguvad välja erineva koostisega membraanidega kaetud vesiikulid.

Golgi kompleksi ümbritseb tsütoplasmapoolsest küljest Golgi maatriks, mis isoleerib GK membraane ning on oluline struktuuri hoidmises ja vesiikulite liikumises. Arvatakse, et maatriksi ülesandeks on hoolitseda GK kasvu, jagunemise ja võrdse jaotamise eest tütarrakkudesse mitoosis.

Vesiikulite tüübid

1. Klatriiniga kaetud vesiikulid;
2. COP (coat proteins) valgulise kestaga vesiikulid − jaguneb COP I ja COP II.

ER (oranž) ja Golgi kompleks (roosa). 1. Tuumamembraan; 2. Tuumapoor; 3. Karedapinnaline ER (RER); 4. Siledapinnaline ER (SER); 5. Ribosoom RER-il; 6. Makromolekulid; 7. Transportvesiikulid; 8. Golgi kompleks; 9. Cis-Golgi; 10. Trans-Golgi; 11. Golgi kompleksi tsisternid

Funktsioon

Rakud sünteesivad suurel hulgal erinevaid makromolekule. GK ülesandeks on karedapinnalisest ER-ist saabuvate valkude modifitseerimine (glükosüleerimine ja fosforüleerimine), sortimine ja pakkimine. Kui GK on oma töö lõpetanud, liiguvad vesiikulitesse pakitud valgud rakust välja, jäävad rakuseina koostisse või asuvad funktsioneerima raku sees. Golgi kompleks on seotud ka raku ümber paiknevate lipiidide transpordi ja lüsosoomide moodustamisega. Piltlikult öeldes talitleb Golgi kompleks kui postkontor − ta pakib ja märgistab valgud või lipiidid ning saadab siis raku eri osadesse.

Golgi kompleksi iseloomustab eelkõige suure hulga erinevate glükosidaaside ja glükosüültransferaaside olemasolu. Esinevad ka fosfo- ja sulfotransferaasid. Golgi membraanis esinevad spetsiifilised transportsüsteemid, transportimaks tsütoplasmast suhkruid Golgi kompleksi. Eri rakkude Golgi aparaat sisaldab erinevaid ensüüme, samuti erinevad koostiselt cis-, kesk- ja trans- positsioonis olevad tsisternid.

Golgi kompleks on eriti rikkalik sekreteerivates ehk eritusega seotud rakkudes, näiteks soolte epiteelis, mis sekreteerivad glükoproteiinide ja proteoglükaanide segu.

Valkude modifitseerimine

Valkude glükosüleerimine

Valkude glükosüleerimist viivad läbi glükosüültransferaasid. Need on membraanis paiknevad valgud, mille aktiivtsenter on suunatud Golgi valendiku poole. Substraadiks neile ensüümidele on nukleosiid di- või monofosfaatsuhkrud. Glükosüleerimise käigus lisatakse valgumolekulile suhkrujääk. Need suhkrud liidetakse kas juba paigas olevale eelmisele suhkrujäägile (kui on tegemist oligosahhariidse ahela pikendamisega) või aminohappele.

Golgis toimub kahte tüüpi glükosüleerimist:

• N-seoseline glükosüleerimine – N-seoseliste oligosahhariidahelate pikendamine, mis algas juba ER-is ning viiakse lõpuni GK-s;
• O-seoseline glükosüleerimine – toimub ainult Golgi kompleksis. Sünteesitakse O-seoselisi suhkruahelaid.

Valkude glükosüleerimine on väga keerukas protsess, teatud valkudel võivad oligosahhariidsed ahelad olla märkimisväärselt pikad. Näiteks ekstratsellulaarses maatriksis leidub nn. proteoglükaane, mille koostises on väga pikad laengut kandvad polüsahhariidid – glükoosaminoglükaanid. Glükosüleerimisel omandavad valgud õige konformatsiooni ehk kuju ning suureneb resistentsus ehk vastupanuvõime proteaaside suhtes. On teada, et lüsosoomide membraanide valgud on tugevalt glükosüleerunud ning on tänu sellele vastupidavad proteaaside suhtes – need ei saa hüdrolüüsida lüsosoomide membraanide koostises paiknevaid valke. Samuti tagab glükosüleerimine valkude liikumise erinevatesse organellidesse.

Valkude fosforüleerimine

Fosforüülimisega tegelevad fosfotransferaasid. Kõik lüsosoomidesse saadetavad ensüümid peavad saama märgistatud N-atsetüülglükoosamiini fosfotransferaasi poolt. Märgistuse tagajärjel tekkiv mannoos-6-fosfaat grupp on spetsiifiliseks sorteerimis-signaaliks, et saata valk lüsosoomi. Kui mingil põhjusel seda gruppi Golgi kompleksis lüsosoomidesse määratud ensüümidele külge ei panda, siis vastavad ensüümid lüsosoomidesse ei jõua ning nad eksotsüteeritakse ehk väljutatakse rakust.

Valkude sulfaatimine

Osa valkude suhkruahelad sulfaaditakse Golgi kompleksis. Selle eest vastutavad sulfotransferaasid. Sulfaatgrupi liitmine annab valkudele suure negatiivse laengu. Paljude sulfaatgruppide olemasolu on iseloomulik eespool nimetatud proteoglükaanidele. Paljud proteoglükaanid sekreteeritakse rakust ja nad osalevad rakuvälise maatriksi moodustamisel. Osa aga jäävad rakumembraani koosseisu.

Vesiikulite transport

Golgi kompleksi sisenevad karedapinnalise ER-i ekspordipiirkonnalt punguvad sekreteeritavat valku sisaldavad põiekesed, mis ühinevad Golgi cis-tsisternide membraaniga. Põiekesed tühjendavad oma sisu GK luumenisse, kus toimub valkude modifitseerimine, sortimine ning pakkimine. Lõpuks on vesiikulitesse pakitud valgud trans-Golgi piirkonnas, kust nad saadetakse lõplikesse sihtkohtadesse.

Vesiikulite transport sõltub nende kesta valkudest

Vesiikulid moodustuvad transporditava valgu signaaljärjestuse ja ER/Golgi membraani retseptorvalkude vastavuse baasil. Osa kesta valkude subühikutest ning adaptervalkudest määravad, millised membraani osad ja millised valgud sisenevad vesiikulisse. Seega kesta valgud – klatriin, COP I, COP II ning adaptervalgud, on vajalikud selleks, et konkreetsesse vesiikulisse lülituksid teatud kindlad valgud. Nad ei ole vajalikud märklaudorganellide äratundmiseks ja nendega seostumiseks. Pärast vesiikuli moodustumist kestavalgud depolümeriseeruvad ja eralduvad.

Vesiikulite tüübid

On kolme tüüpi valgulise kestaga vesiikuleid, mis osalevad valkude transpordil ühest organellist teise:

1. klatriiniga ümbritsetud vesiikulid – moodustuvad rakumembraanidest endotsütoosi protsessis. GK-lt pungudes liiguvad endosoomidesse;
2. COP II kaetud vesiikulid – liiguvad karedapinnaliselt ER-ilt Golgi kompleksi;
3. COP I kestaga vesiikulid – transpordivad valke cis-Golgist tagasi ER-i.

Golgi kompleks ja mitoos

Rakujagunemisel loomarakus valkude transport ja sekreteerimine peatatakse ning Golgi kompleks fragmenteerub väikesteks vesikulaarseteks struktuurideks. Need struktuurid paiknevad hajutatult üle kogu tsütoplasma.

Fragmenteerunud Golgi kompleks jaotub koos tsütoplasmaga tütarrakkudesse, kus nad pärast tsütokineesi taas tavapärase tsisternse GK kuju võtavad.

Mitoosi korral taime- ja pärmirakus jäävad Golgi tsisternid puutumatuks kogu rakutsükli aja. Põhjus pole teada, kuid kuna ei taime- ega pärmirakus proteiinide transporti ER-ist ei blokeerita, võib peituda põhjus selles.

Loomarakk

Loomarakk on eukarüootne loomariiki kuuluva organismi rakk. Loomarakkudel on rida ühiseid omadusi, mille osas nad erinevad taimerakkudest või seenerakkudest.

Loomarakul on fagotsütoosi võime, s.t. võime tuua rakumembraanile sattunud ainete osakesi raku sisemuse kasutamiseks.

Loomarakk ei sisalda plastiide (kloroplast, kromoplast, 

leukoplast), rakukesta ja tsentraalvakuooli (vakuoolid pole üldiselt üldse omased loomarakule).

Eukarüütne rakk

Eukarüootne rakk ehk päristuumne rakk on üks kahest peamisest elusorganismidel esinevast rakutüübist (teine on prokarüootne rakk).

Eukarüootsetel rakkudel on eristunud rakutuum ja membraansed rakuorganellid (näiteks mitokondrid ja kloroplastid).

Eukarüootsed on taime-, looma-, seene- ja paljude protistide rakud.

Prokarüütne rakk

Prokarüootne rakk ehk eeltuumne rakk on üks kahest peamisest organismidel esinevast rakutüübist (teine on eukarüootne rakk). Prokarüootsetel rakkudel puudub rakutuum ja membraansed organellid. Samuti on nad suuruselt oluliselt väiksemad kui eukarüootsed rakud. Prokarüootsed on bakterite ja arhede rakud.

Prokarüootsete rakkude uurimine sai võimalikuks alles 20. sajandi keskpaigast, sest varem puudus selleks sobiv tehnika.

Prokarüootsete rakkude tunnusjooned

Alati eksisteerivad struktuurid

• Raku sein ümbritseb rakku ja kaitseb rakku lõhkemise eest. See koosneb süsinikuhüdraadi ja aminohappe segust.
• Plasma membraan kontrollib materjalide liikumist rakust sisse ja välja. Mõned ained pumbatakse sisse ja välja aktiivse transpordi abil.
• Tsütoplasma membraani sees sisaldab kõiki ensüüme, mis on vajalikud raku keemiliste reaktsioonide jaoks. See sisaldab ka geneetilist materjali.
• Kromosoom on rakus tsütoplasmas, nukleoidi regioonis. DNA pole seotud ühegi valguga (DNA prokarüootses rakus on paljas). Bakterid sisaldavad lisaks väikseid DNA ringe, mida nimetatakse plasmiidideks. Viimased paljunevad iseseisvalt ja võivad ühelt rakult teisele üle minna.
• Ribosoomid leiduvad prokarüootsetes rakkudes, kus nad sünteesivad valke. Neid esineb suurel hulgal rakkudes, mis aktiivselt toodavad valke.