Tsütopaatiline efekt

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

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

Tsütopaatilise efekti ülesanne

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

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

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

Tsütopaatilise efekti tüübid

Täielik hävitamine

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

Osaline hävitamine

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

Fokaalne degeneratsioon

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

Paisumine ja kokkukleepumine

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

Vahutav degeneratsioon

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

Rakkude integratsioon ehk sünsüütsium

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

Inklusioonkehakesed

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

Diagnostika

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

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

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

Telomeraas

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

TERT struktuur

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

Ajalugu

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

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

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

Inimese telomeraasi struktuur

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

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

Funktsioon

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

Telomeraas lisamas telomeeride lõppudele vastavat järjestust

Telomeraasi regulatsioon

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

Telomeraas ja tüvirakud

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

Seos meditsiiniga

Telomeraas ja vähk

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

Telomeraasi inhibiitorid

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

Telomeraasipõhine teraapia

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

Immunoteraapia

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

Südamehaigused, diabeet ning elukvaliteet

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

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

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

Haruldased haigused

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

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

Vesiilikul

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

Fosfolipiidse kaksikkihiga ümbritsetud vesiikul vesilahuses

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

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

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

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

Vesiikulite tüübid

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

Transportvesiikulid

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

Sekretoorsed vesiikulid

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

Vesiikulite moodustumine ja transport

Kaetud vesiikulite pungumine

Pinotsütoos skemaatiliselt

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

"Kattel" on kaks põhilist funktsiooni:

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

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

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

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

Vesiikuli liitumine sihtmembraaniga

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

Kogu see protsess sõltub kahest valgutüübist:

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

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

Iga Rab-valk seondub konkreetse organelliga

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

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

Fosfolipiidse kaksikkihi liitumine toimub mitmes etapis.

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

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

Vesikulaarne transport

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

Vesikulaartranspordil võib eristada kolme põhilist suunda:

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

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

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

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

Parenhüümne rakk

Parenhüümne rakk ehk isodiameetriline rakk on taimerakk, mis on igas mõõtmes enam-vähem võrdse läbimõõduga.

Prosenhüümne rakk

Prosenhüümne rakk on taimerakk, millel on väga piklik kuju.

Prosenhüümse raku pikkus võib küündida 25 sentimeetrini (lumivalge bömeeria).

Epiteelkude

Epiteelkude ehk epiteel (inglise keeles epithelial tissue, kreeka keeles thēlē 'nisa') on loomorganismi välispinda kattev ja sisepinda vooderdav või näärmeid moodustav kude.  Epiteelkoed ehk epiteelid katavad nahka, limaskesti, teiste kudede vabu pindasid ja koosnevad ainult rakkudest, (rakuvaheaine praktiliselt puudub ning pole veresooni). Epiteelkoed on üks neljast loomakudede põhitüübist.

Epiteelid: ripseepiteel, näärmepiteel, transitoorne ehk üleminekuepiteel (kuseteedes esinev epiteel, mille kuju muutub) jpt. 

Epiteelkude jagatakse funktsiooni alusel:

• katteepiteeliks- epiteelirakud katavad keha välispinda, moodustades naha pindmise kihi e epidermise, lisaks hingamiselundite epiteel, sooleepiteel jpt.
• näärmeepiteeliks- ehk sekretoorsed epiteelirakud on loomorganismi kõikides näärmetes.

Katteepiteeli rakud

Katteepiteeli rakkude kuju järgi eristatakse: 

• lameepiteele
• kuupepiteele
• silinderepiteele jpt.

Epiteelkoe uuenemine

Epiteelkoe uuenemine naha epidermises toimub üsna kiiresti, seda saab jälgida näiteks haavade paranemise kaudu (keskmiselt 4 -10 päeva).

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.

Adenosiintrifosfaat (ATP)

Adenosiintrifosfaat ehk adenosiin-5’-(tetravesinik-trifosfaat) ehk ATP on universaalne energia talletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis. ATP on makroergiline ühend.

Adenosiintrifosfaadi struktuur

ATP ruumiline kujutis

ATP-d toodetakse kõige rohkem mitokondrites. Taimedes ja vetikates toimub intensiivne ATP moodustumine kloroplastides.

ATP koosneb adeniinist, riboosist ja kolmest lineaarselt seotud fosfaadijäägist, mis on omavahel ühendatud fosfoanhüdriidsidemetega. ATP molekuli keemiline valem on C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.

AjaluguRedigeeri

ATP avastasid 1929. aastal Harvardi meditsiinikooli teadlased Karl Lohmann,^[1] Cyrus Fiske ja Yellapragada Subbarow. Selle täpne struktuur tehti kindlaks alles mõned aastad hiljem. ATP funktsiooni peamise energiakandjana rakus avastas aga teine saksa-ameerika biokeemik Fritz Albert Lipmann 1941. aastal.^[2] 1948. aastal suudeti ATP’d esimest korda kunstlikult sünteesida ja sellega sai hakkama Alexander Todd.^[3]

ATP funktsioonRedigeeri

ATP on multifunktsionaalne nukleosiid trifosfaat, mida kasutatakse rakkudes koensüümina. Tihtipeale kutsutakse seda "molekulaarseks valuutaks" rakusisesel energiaülekandel.^[4] Keemilise energia kandjana mängib ATP olulist rolli metabolismis ehk ainevahetuses. Lisaks on see üks fotofosforüleerimise ja raku hapnikutarbe lõpp-produkte. Rakusisestes protsessides vajavad ATP’d paljud ensüümid ja struktuurvalgud (näiteks biosünteetilistes reaktsioonides ja raku jagunemisel).^[5]

Üks ATP molekul, mida toodab ATP-süntaas anorgaanilisest fosfaadist ja adenosiindifosfaadist (ADP) või adenosiinmonofosfaadist (AMP) sisaldab kolme fosfaatrühma. Adenosiintrifosfaadi sünteesiks on kolm võimalust: otsene fosfaatrühma ülekanne AMP’le või ADP’le, oksüdatiivne fosforüleerimine rakusisese hapnikutarbe käigus ja fotofosforüleerimine fotosünteesil.

Ainevahetuse protsessid, mis kasutavad ATP’d energiaallikana, muudavad selle pärast kasutamist tagasi lähteaineteks, millest seda esialgu toodeti (anorgaaniline fosfaat ning AMP või ADP). Seega on ATP organismis pidevas ringluses. Inimkeha, mis sisaldab keskmiselt kõigest 250 grammi ATP’d,^[6] töötleb seda igapäevaselt ümber võrdeliselt oma kehakaaluga.^[7]

ATP’d kasutatakse substraadina nii kinaaside kui ka adenülaadi tsüklaasi poolt. Kinaasid on ensüümid, mis aitavad fosfaatrühmi kõrge energiaga molekulidelt (ATP) näiteks valkudele ja lipiididele üle kanda. Adenülaadi tsüklaas katalüüsib sekundaarse virgatsaine cAMP (adenosiin-3’,5’-monofosfaadi) moodustumist.

Rakud kasutavad ATP ja AMP koguste vahelist suhet mitmeks otstarbeks. Esiteks selleks, et teha kindlaks, kui palju energiat, mida organism saaks kulutada, on saadaval. Teiseks selleks, et kontrollida metabolismiradade tegevust, mille käigus nii toodetakse kui ka tarbitakse ATP’d.^[8] Lisaks mängib ATP olulist rolli DNA replikatsioonil ja transkriptsioonil. Arvatakse, et ATP näol on tegemist neurotransmitteriga, mis vahendab haistmismeele signaaliülekandeid.^[9]

ATP struktuurist on näha, et see koosneb puriinalusest (adeniin), mis paikneb pentoosisuhkru (riboos) ahela esimese süsiniku aatomi (1’-süsinik) küljes. Kolm fosfaatrühma paiknevad aga pentoosisuhkru viienda süsiniku (5’-süsinik) küljes. Fosfaatrühmade liitmine ja eemaldamine võimaldab ATP muutmist ADP’ks ja AMP’ks ning vastupidi. Kui DNA sünteesil kasutatakse ATP’d, siis muudetakse riboos spetsiaalsete ensüümide (ribonukleotiidreduktaas) abil desoksüriboosiks.

Füüsikalised ja keemilised omadusedRedigeeri

ATP koosneb adenosiinist (mis omakorda koosneb adeniinist ja riboosisuhkrust) ning kolmest fosfaatrühmast (trifosfaadist). Fosfaatrühmi fosforüülgrupis nimetatakse, alustades riboosile lähimast, vastavalt alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ) fosfaatideks. Struktuurist võib järeldada, et see on väga lähedalt seotud andenosiini nukleotiidiga ehk teisisõnu RNA monomeeriga. ATP on vees väga hästi lahustuv molekul. Äärmuslike pH’ga lahustes hüdrolüüsub ATP suure kiirusega. Lahustes, mille pH on vahemikus 6,8–7,4, on molekul küllaltki stabiilses olekus.^[10]

Ilma puhveromaduseta vees muutub ATP ebastabiilseks, mistõttu see hüdrolüüsub ADP’ks ja fosfaadiks. Hüdrolüüsiprotsess leiab aset sellepärast, et sidemetugevus ATP fosfaatrühmade vahel on väiksem kui hüdrolüüsi tulemusel tekkivate produktide (ADP ja fosfaat) ning vee vahel moodustuvate vesiniksidemete tugevus. Seega kui ATP ja ADP on vesilahuses keemilises tasakaalus, siis peaaegu kogu ATP muudetakse lõpuks ADP’ks. Süsteem, mis on tasakaaluolekust kaugel, sisaldab Gibbsi vabaenergiat (ΔG) ning on seetõttu võimeline tegema tööd. Elusrakkudes on ATP ja ADP vaheline suhe 0,1 suurusjärku tasakaaluolekus esinevast suhtest kõrgem ning ATP kontsentratsioon on umbes 1000 korda suurem kui ADP kontsentratsioon. Seesugune nihe tasakaaluolekust tähendab seda, et tänu ATP hüdrolüüsile rakus eraldub suurtes kogustes vabaenergiat.^[11]

ATP on niivõrd kõrge energiasisaldusega molekul tänu kahele fosfaatrühmade vahelisele sidemele. Neid sidemeid nimetatakse fosfoanhüdriidsidemedeks.^[12] Energia, mis on ATP molekulis salvestatud, vabaneb eelpool mainitud anhüdriidsidemete hüdrolüüsil.^[12] Energia puudujäägi korral anaboolses reaktsioonis eraldub energia saamiseks hüdrolüüsi käigus ATP’lt esimesena γ-fosfaatrühm. Kuna γ-fosfaatrühm asub riboosist võrreldes teiste fosfaatrühmadega kõige kaugemal, on sellel nii α- kui ka β- fosfaatrühmast suurem lõhustumisenergia. Pärast hüdrolüüsiprotsessi (või fotofosforüleerimise protsessi ATP’ga) moodustuvate sidemete energiatasemed on madalamad, kui ATP's leiduvate fosfoanhüdriidsidemete omad. Ensüümkatalüüsi abil aset leidva ATP hüdrolüüsi või ATP’ga fotofosforüleerimisel tekkiv vabaenergia võidakse elusolendite poolt ära kasutada töö tegemisel.^[13][14]

Iga ebastabiilne süsteem, mis sisaldab reaktsioonivõimelisi molekule, võiks teoreetiliselt olla energia salvesti. See aga oleks võimalik vaid juhul, kui rakk suudaks endas säilitada antud molekuli sellise kontsentratsiooni, mis on reaktsiooni tasakaaluolekust kaugel.^[11] Kuid nagu paljude teiste polümeersete biomolekulide puhul, toimub ka RNA, DNA ja ATP lagunemine lihtsamateks monomeerideks lähtuvalt energia vabanemise ja entroopia suurenemise reeglitest. Seda nii standardsete kontsentratsioonide kui ka rakus olevate kontsentratsioonide korral.

Standardset energiahulka, mis vabaneb ATP hüdrolüüsil, on võimalik välja arvutada muutuste põhjal, mis toimuvad reaktsioonis standardtingimustel. Saadud andmete abil on arvutuste tulemusi võimalik muuta nii, et need vastaks bioloogilistele kontsentratsioonidele. Reaktsioonientalpia muutus ATP hüdrolüüsumisel ADP’ks ja anorgaaniliseks fosfaadiks standardsel temperatuuril ja rõhul on −20,5 kJ/mol. Sama protsessi vabaenergia muut on 3,4 kJ/mol.^[15] Eraldades 1 M kontsentratsiooniga lahuses standardtingimustel ATP’lt kas fosfaatrühma (P_i) või pürofosfaatrühma (PP_i), vabanevad järgnevad energiahulgad:^[16]

ATP + H₂O → ADP + P_i ΔG˚ = −30,5 kJ/mol (−7,3 kcal/mol)

ATP + H₂O → AMP + PP_i ΔG˚ = −45,6 kJ/mol (−10,9 kcal/mol)

Neid andmeid võib kasutada, et arvutada nii energiamuutu füsioloogilistes tingimustes kui ka rakusisest ATP ja ADP vahelist suhet. Üha enam hakatakse aga kasutama sellist energiahulka, mis arvestab lisaks ATP ja ADP kogusele ka AMP kogust. Selle reaktsiooni Gibbsi vabaenergia sõltub aga mitmest muust faktorist, sealhulgas üldisest lahuse ioontugevusest ja leelismuldmetallide (nt Mg²⁺ ja Ca²⁺) sisaldusest. Tavapärastes rakusisestes tingimustes on sellise Gibbsi vabaenergia väärtus umbes −57 kJ/mol (−14 kcal/mol).^[17]

Ionisatsioon bioloogilistes süsteemidesRedigeeri

Adenosiintrifosfaat sisaldab mitut asendusrühma, millel on erinevad happe dissotsiatsioonikonstandid. Neutraalses lahuses esineb ATP enamasti ioniseerunud vormis (enamus on vormis ATP⁴⁻, kuid lisaks sellele esineb ka vähesel hulgal ATP³⁻ ioone).^[18] Kuna ATP esineb neutraalses lahuses erinevates negatiivselt laetud vormides, siis võib see tänu kõrgele afiinsusele metallidega kelaatuda. Järgnevalt on toodud mõnede metalliioonide sidumiskonstandid (konstant on antud 1 mooli kohta): Mg²⁺ (9554), Na⁺ (13), Ca²⁺ (3722), K⁺ (8), Sr²⁺ (1381), Li⁺ (25).^[19] Nagu konstantide väärtusest järeldada võib, moodustab ATP kompleksi enamasti Mg²⁺ ioonidega.

Aine ja energia vahetus

 

Aine- ja energiavahetus

 

Metabolism – organismi biokeemilised protsessid, mis tagavad aine- ja energiavahetuse ümbritseva keskkonnaga

            Metabolism jaguneb kaheks: assimilatsioon (organismis toimuvate sünteesiprotsesside kogum; N: valgussüntees ja fotosüntees) ja dissimilatsioon (organismis leiduvate lagunemisprotsesside kogum; N: süsivesikute lagundamine).

 

            Organismid jagunevad kolme rühma : autotroofid, miksotroofid ja heterotroofid.

 

Autotroofid on organismid, kes sünteesivad ise orgaanilist ainet, kasutades selleks valguse või keemiliste ühendite energiat. N: rohelised taimed ja osad bakterid.

Miksotroofid on organismid, kelle toitumine oleneb keskkonna tingimustest. N: roheline silmviburlane, huulhein, alpi võipätakas.

Heterotroofid on organismid,  kes kasutavad oma keha ülesehitamiseks ja energia saamiseks valmis orgaanilist ainet (nt. fotosünteesi). N: loomad (k.a. inimene), seened, klorofüllita taimed, osad bakterid.

 

ATP – adenosiintrifosfaat 

 

 

ATP on universaalne energia ülekandja.

 

            Glükoosi lagundamine

 

Glükoosi varusid säilitatakse: a) taimedes tärklisena

                                                b) glükoosina maksas ja lihastes

 

Glükoosi lagundamine jaguneb kolme etappi: glükolüüs, tsitraaditsükkel ja hingamisahel.

           

            I   GLÜKOLÜÜS

 

             1) Aeroobne glükoos – toimub tsütoplasmavõrgustiku siledapinnalises osas

 

                        Lähteaineks on glükoos

                        Tekib 2 ATP, 4 H -> 2NADH2

             2) Anaeroobne glükoos (käärimine)

 

                        a) piimhappekäärimine – läbiviijad on piimhappebakterid ja lihasrakud hapniku puuduses.

                        Tekib: 2 ATP-d ja piimhape

 

                        b) alkohol- e. etanoolkäärimine – läbiviijad on pärmseened ja osad bakterid

                        Tekib: 2 ATP-d ja etanool

 

                        Vajalikud tingimused:

            a) hapniku puudus

            b)kergesti omandatavate süsivesikute olemasolu

            c) tekkiv etanooli hulk ei või olla väga suur

 

            II TSITRAADITSÜKKEL – toimub mitokondri maatriksis

 

            Lähteaineks atsetüülkoensüüm A, mis tekib glükolüüsil moodustunud püroviinamarihappest.

            Kulg – eralduvad CO2 molekulid ja tekib 10 NADH2 molekuli.

 

            III HINGAMISAHEL – toimub mitokondri sisemembraani harjakestel (sopiste tippudes)

 

            Kulg – glükolüüsil ja tsitraaditsüklis tekkinud NADH2 energia arvel sünteesitakse ATP-d (kokku 36 ATP-d)

 

 

            Fotosüntees

 

            Fotosüntees on klorofülli sisaldavates taimerakkudes toimuv assimilatsiooniprotsess, mille käigus salvestatakse valgusenergia orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks.

 

            Fotosünteesi peamisteks lähteaineteks on CO2 ja H2O ning lõpp-produktiks glükoos ja hapnik.

 

            Fotosüntees jaguneb kahte staadiumisse: valgusstaadium (nõuab valgust) –fotofüüsikaline ja fotokeemiline faas; pimedusstaadium (ei vaja valgust) – fotokeemiline faas e. Calvini tsükkel

 

            I Valgusstaadium

 

1) fotofüüsikaline faas – valguse neeldumine

2) fotokeemiline faas – eristatakse kahte süsteemi:

            a) fotosüsteem 2 – ergastub 680 nm valgusega

                ülesanded:   * toimub vee fotooksüdatsioon, mille käigus eralduvad prootonid

                                    * veelt võetakse ära elektronid

                                    * vee fotooksüdatsiooni produktide omavahelisel seostumisel tekib hapnik

 

            b) fotosüsteem 1 – ergastub 700 nm juures

                ülesanded:   * reduktiivjõu tekitamine

                                    *koos fotosüsteem 2-ga osalevad vesinike aatomite kontsentratsiooni eriosade tekkimisel

                                    * lähtuvalt vesiniku aatomite kontsentratsiooni erinevustest toimub ATP süntees.

 

            II Pimedusstaadium – fotobiokeemiline faas

 

            Aluseks on CO2 sidumine ja muundamine stroomas paiknevate ensüümide poolt. CO2 seotakse viie süsinikulise ühendina. Esmaseks fotosünteesi produktiks on triosiid, tekib tärklis.

 

            Fotosünteesi tähtsus: vee fotooksüdatsiooni käigus eralduv hapnik on vajalik kõigi organismide hingamiseks; fotosüntees tagab süsiniku ja hapniku ning teiste keemiliste elementide ringe.