Hormoonid

Hormoonid (vanakreeka keeles ὁρμᾶν (hormān) 'virgutama' 'ärritama') on väga erineva struktuuriga orgaaniliste ja bioaktiivse toimega essentsiaalsete, valdavalt endogeensete biokeemiliste signaalmolekulide rühmad, ka bioregulaatorid, mille struktuur ja funktsioonid mõjutavad mikrokogustes igapäevaselt hulkraksete organismide pea kõikide füsioloogiliste protsesside normaalset toimimist.

Hormoonide kui hormonaaltoimega biomolekulide põhitüübid on järgmised:

• taimehormoonid ehk fütohormoonid ehk kasvufaktorid
• feromoonid
• eikosanoidhormoonid : prostaglandiinid, tromboksaanid, leukotrieenid)
• dokosanoidid
• aminohappehormoonid
• peptiidhormoonid
• valkhormoonid
• steroidhormoonid: androgeenid, östrogeenid, gestogeenid, glükokortikoidid, mineralokortikoidid
• D-vitamiini hormoonvormid
• retinoidhormoonid
• neurohormoonid
• neurotransmitterid
• parahormoonid
• eelhormoonid
• prohormoonid
• kasvuinhibiitorid
• tsütokiinid
• antihormoonid ja sünteetilised hormoonpreparaadid.

Hormoonide hulka loetakse ka organismides hormoonilaadset toimet omavad rasvlahustuvad vitamiinid jpt biomolekulid.

Klassifikatsioon

Inimesed ja hormoonid

Hormoon ehk sisenõre ehk inkreet onsisenõrenäärmete poolt komplekteeritud ja eritatud bioloogiliselt aktiivne ühend, mis vereringes liikudes avaldab toimet hormooni sihtrakkudele (objektrakkudele), millel on selle ainega sobivad vastuvõtjamolekulid (retseptorid).

Hormoonid osalevad aktiivselt imetajate (taimedel fütohormoonid) rakkude taastootmises ja nendega seotud toimingutes. Hormooniringlus on katkematult seotud väliskeskkonna ning sissesöödavate ainete ja/või sissejoodavate vedelike ja organismi enamiku elundite, kudede, rakkude ja retseptorite ning ka geenide töös ja resistentsuses.

Hormoonid, sarnaselt vitamiinide ja kofaktoritega, on kasvufaktorid ja kasvuinhibiitorid.

Hormoonimolekulid komplekteeritakse inimestel peamiselt seedekulglast (ka veres ringlevast ainesest) saabuvast ainesest ning eritatakse organismi sisenõrenäärmete ehk näärmete poolt, milleks on:

• ajuripats ehk hüpofüüs
• käbikeha
• kilpnääre
• kõrvalkilpnäärmed
• tüümus e harknääre
• neerupealis glandula suprarenalis
• kõhunäärme (ehk pankrease) sisesekretoorsed saared
• sugunäärmed: munasari (naistel) ja munand (meestel) jpt näärmed.

Märkus. Käbikeha ja tüümust ehk harknääret ei loeta mitte alati umbnäärmeiks, sest nende eritusfunktsioonid on paljuski uurimata.

Hormoonimolekule komplekteeritakse ja eritatakse inimestel ka organismi teistes elundites paiknevate rakkude kaudu, näiteks süda, närvisüsteem, magu, maks, peensool, neerud, kaksteistsõrmiksool, lümfisüsteem, platsenta, hüpotalamus.

Ajalugu

Hormoonidele sattus 20. sajandi alguses tehtud katsete käigus ootamatult inglise arst Ernest Henry Starling (tuntud ka Franki-Starlingi seaduse avastajana).

• ...
• 1901. aastal eraldas Jōkichi Takamine neerupealistest adrenaliini;
• 1905. aastal võttis Ernest Henry Starling kasutusele sõna hormoonid;
• 1915. aastal töötas Edward Calvin Kendall välja biotesti ja eraldas algmaterjalina ligi 2900 kilogrammist sea kilpnäärmetest 18 grammi kilpnäärmehormooni türoksiini (tänapäevane nimetus);
• 1921. aastal eraldasid esimesena pankrease Langerhansi saarte beetarakkude ekstraktist insuliini söör Frederick Grant Banting ja Charles Herbert Best. Ravitoimet katsetati koertel, kelle pankreas oli eemaldatud, pankrease ekstrakti süstimine aitas neil edukalt diabeediga elada.
• 1936. aastal eraldas Edward Calvin Kendall neerupealiste koortest hormooni kortisoon (tänapäevane nimetus).

Biokatalüsaatorid

Biokatalüsaator ehk bioloogiline katalüsaator on eriliste omadustega elusrakkude kaudu toimiv bioloogiliselt aktiivne keemiline aine. Biokatalüsaatorid muudavad reaktsiooni kiirust, muutmata reaktsioonide termodünaamikat, ja vabanevad pärast reaktsiooni lõppu esialgsel kujul. Biokatalüsaatori toimel võivad reaktsioonid nii kiireneda, aeglustuda kui ka katkeda.

Biokatalüsaatorid on hormoonid, ensüümid, vitamiinid jpt ained, aga ka mitmed looduses toimuvad protsessid ja nende allikad.

Katalüsaator

Katalüsaator on keemiline aine (nii orgaaniline, kui anorgaaniline), mis muudab reaktsiooni kiirust, seda kiirendades.

Tavaliselt on tegu väikese koguse lisaainega, mis võtab reaktsioonist osa alandades reaktsiooni aktivatsiooni energiat, kuid regenereerub ega esine produktide koostises. Katalüsaatori toimel katalüütilised reaktsioonid kiirenevad. Reaktsiooni aeglustab või takistab inhibiitor.

Termini kujunemine

Termin tuleneb kreekakeelsest sõnast κατάλυσις, katálysis ladinakeelse lõpuga.
Kata- "alla" või "täielikult", + lyein "lahti päästma", ehk ligilähedaselt "täielikult lahti päästma" või "vallandama".

• 1835. aastal võttis rootsi keemik Jöns Jakob Berzelius kasutusele termini katalüsaator. Nimelt uuris ta keemilisi aineid ning ka katalüütilisi protsesse ja aineid, mis osalesid katalüüsis muutumatul kujul – ta nimetas need ained katalüsaatoriteks.
• 1895. aastal õnnestus Wilhelm Ostwaldil defineerida ka tänapäeval kasutatav katalüsaatorite mõiste. Oma töö eest katalüüsi, keemilise tasakaalu ja reaktsioonikineetika vallas pälvis ta aastal 1909 Nobeli keemiaauhinna.

Ostwald defineeris katalüüsi kui aeglaselt kulgeva keemilise reaktsiooni kiirenemist aine (katalüsaatori) juuresolul, mis ei kuulu reaktsiooni saaduste ega lähteainete hulka. Nii defineerides juhtis ta tähelepanu asjaolule, et katalüsaator pole midagi sellist, mis käivitab muidu mittetoimuva reaktsiooni, vaid katalüsaator on miski, mis lihtsalt kiirendab muidu aeglaselt kulgevat reaktsiooni. Lähtuvalt katalüüsi definitsioonist defineeris Ostwald katalüsaatorit kui mistahes ainet, mis ei esine reaktsiooni lõppsaaduste koostises, kuid muudab reaktsiooni kiirust.

Katalüsaator reaktsiooni kiiruse muutjana

Katalüütilise (punasega) ja mittekatalüütilise (mustaga) reaktsiooni potentsiaalse energia muutus reaktsiooni käigus.

Katalüsaatori lisamine reaktsioonisegusse alandab reaktsiooni aktivatsioonienergiat, kuid ei muuda reaktsiooni keemilist tasakaalu, ehk tasakaalu konstanti. Reaktsioon küll kiireneb, kuid dünaamiline tasakaal jääb muutumatuks – reaktsiooni lähteainete ja saaduste suhe jääb samaks.

Graafikul on näidatud võrdlevalt reaktsiooni potentsiaalse energia muutus katalüsaatori osalusel (punasega) ja katalüsaatori puudumisel (mustaga). Võib näha, et katalüsaatori osalusel on toimuva reaktsiooni potentsiaalse energia maksimum palju madalam kui sama reaktsiooni toimumisel ilma katalüsaatorita. Katalüsaatori osalusel on reaktsiooni toimumiseks vajalik ületatav energiabarjäär väiksem.

Rakendused

Enamasti peetakse katalüsaatori all silmas reaktsiooni kiirendavat ainet, kuid leidub ka katalüsaatoreid, mille toime on vastupidine – reaktsiooni aeglustav. Neid nimetatakse inhibiitoriteks.

Katalüsaator on homogeenne, kui ta on lähteainetega samas faasis (näiteks Br^- vees), ja heterogeenne, kui on nendest erinevas faasis (näiteks metalne Pt).

Biokatalüsaatorid

 Biokatalüsaatorid, mis kuuluvad orgaaniliste katalüsaatorite rühma, on ensüümid, aga ka mitmed looduses toimuvad protsessid ja nende allikad. Elusrakud sisaldavad eriliste omadustega suuri molekule ehk bioloogilisi katalüsaatoreid (paljud valgud), mida nimetatakse ensüümideks. Ensüümide reaktsioonid toimuvad aktiivtsentrites. Kui "võõrad" ainemolekulid satuvad ensüümide aktiivtsentrisse ja seonduvad sellega, siis lakkavad elusrakkudes ensüümaatilised reaktsioonid ning rakk "mürgitub" ehk hävib.

Katalüsaatorid ja keskkond

Inimtekkelised kemikaalid, nagu NO ja NO₂ jpt, katalüüsivad osooni lagunemist. Peter Atkins ja Loretta Jones on raamatu "Keemia alused. Teekond teadmiste juurde" 4. väljaande 694. leheküljel kirjutanud nii:

“

Juba väikesed kogused klorofluorosüsinikke (teatavad feroonid) põhjustavad seetõttu atmosfääris osoonikihi ulatusliku lagunemise: klorofluorosüsinikud lagunevad radikaalideks, mis katalüüsivad osooni lagunemist.

”

Katalüsaatorimürgid

Aktiivsuse kaotanud katalüsaatoreid nimetatakse mürgitunud katalüsaatoriteks. Katalüsaatorite reaktsioonide katkemist põhjustavad mitmed raskmetallid (plii), seetõttu soovitatakse katalüüsmuunduriga autodes kasutada pliivaba märgistusega kütust.

Polümerisatsiooni initsiaator vs. katalüsaator

Aineid, mis monomeeri keskkonnas moodustavad aktiivseid osakesi ja alustavad ahela kasvu reaktsiooni, nimetatakse initsiaatoriteks või katalüsaatoriteks.

Radikaalpolümerisatsiooni initsiaatoriteks on ained, mis kergesti moodustavad vabu radikaale. Iga moodustunud radikaal võib ühineda monomeeri molekuliga ja alustada üht reaktsiooniahelat, see on üht polümeerset molekuli. Seejuures initsiaatoriks olnud osake jääb seotuks ahela „algusega” ja ei osale järgnevates reaktsioonietappides. Initsiaator reaktsiooni käigus kasutatakse ära pöördumatult, kuid selle asemele tekib uus radikaal.

Ioonpolümerisatsiooni katalüsaatoriteks on ained, mis reaktsiooni keskkonnas moodustavad ioonipaare või oluliselt polariseeritud komplekse, mis alustavad polümerisatsiooniahelat. Need ioonipaarid või polaarsed molekulid (erinevalt vabadest radikaalidest) osalevad igas järgnevas ahela kasvu etapis, st elementaarreaktsioonis järgmise monomeeri molekuliga. Katalüsaatorit protsessi käigus ära ei kasutata ja see regenereerub.

Geen

Geen ehk pärilikkustegur (inglise keeles gene) on kromosoomi kindlas lookuses paiknev pärivustegur, mis määrab otse või kaudselt (tihti koostoimes teiste geenidega) ühe või mitme tunnuse arengu. DNA molekuli funktsionaalne lõik, mis tavaliselt sisaldab informatsiooni (mRNA vahendusel) ühe valgu (või polüpeptiidi) sünteesiks (kuid on ka nt rRNA ja tRNA geenid, mis valgumolekule ei kodeeri).

See diagramm näitab kuidas geen on seotud DNA kaksikheeliksi struktuuriga ning kromosooniga. Kromosoom on X-kujuline sellepärast, et see on jagunemas. Intronid eemaldatakse splaissinguga pärast transkriptsiooni, kus DNA-st saab RNA. Ainult eksonid kodeerivad valku. Sellel pildil on geenil kujutatud umbes 50 alust. Tegelikkuses aga on geenid tuhandeid kordi suuremad

DNA kaksikheeliksi keemiline struktuur

Geen võib olla teatud valku kodeeriv DNA või RNA järjestus või RNA ahel, millel on mingisugune konkreetne funktsioon organismis. Elusolendid sõltuvad geenidest, sest geenid määravad täpselt ära kõik valgud ja funktsionaalsed RNA ahelad. Geenid hoiavad endas informatsiooni, mille alusel ehitatakse ja säilitatakse organismi rakke ning mille põhjal pärandatakse järglastele geneetilist materjali. Kuid siiski rakus on organelle (mitokonder), mis replitseeruvad iseseisvalt ja neid ei kodeerita DNA põhjal. Kõikidel organismidel on palju geene, mis vastavad mitmetele erinevatele bioloogilistele tunnustele – mõned neist on meile nähtavad (nt silmavärv või jäsemete arv), mõned tunnused aga pole meile silmaga eristatavad (nt veregrupp või suurem tõenäosus saada mingisugune spetsiifiline haigus).

Geeni modernne definitsioon kõlab järgmiselt – Geen on genoomi järjestuse ümberpaigutatav regioon, mis on päritav. Geenis on regulatoorsed regioonid, transkribeeritud järjestused ja palju muid funktsionaalsete järjestuste regioone. Geenid eksisteerivad struktuurilt ja tihti ka funktsioonilt erinevate alleelide kujul. Ühe geeni erinevaid variante nimetatakse alleelideks. Kõnekeelne termin "geen" (juuksevärvi geen, hea geen) viitab tavaliselt alleelile. Tegelikult on geen nukleiinhapete järjestus (DNA või teatud viiruste puhul RNA) ja alleel on üks variant sellest geenist. Inimestel on olemas mingi teatud geeni järjestus, kuid kindlatel inimestel on selle geeni spetsiifiline alleel ehk selle geeni järjestuse üks variantidest. Geenid kodeerivad valke, mis avalduvad teatud identifitseeritavate järjestuste põhjal, kuid päritav on siiski geen ise, mitte see konkreetne järjestus.

Füüsikalised definitsioonid

RNA geenid ja genoom

Kui toimub valkude tootmine, siis kõigepealt kopeeritakse DNA lõigult RNA, mis on DNA ja valgu vahepealne produkt. RNA sünteesimine on transkriptsioon. Mõne juhtumi puhul ongi RNA molekul see lõplik funktsionaalne ühik. RNA-d (tuntud kui ribosüümid) on ensümaatilise funktsiooniga ja mikroRNA-d on regulatoorse funktsiooniga. See konkreetne DNA järjestus, millelt toimub RNA transkribeerimine, on tuntud kui RNA geen.

Mõned viirused hoiavad oma geneetilist informatsiooni ainult RNA vormis, nende genoom ei sisalda DNA-d. Nad kasutavad RNA-d, et salvestada oma geene. Tänu RNA olemasolule ei pea toimuma eraldi transkriptsiooni protsess ning seetõttu võib nende peremeesrakk kohe pärast infektsiooni sünteesida viiruse enda komponente. Kuid samas näiteks RNA retroviirusel (HIV) on teistsugune mehhanism – pöördtranskriptsioon, mis viib enne valkude tootmist läbi DNA sünteesimise RNA-st. 2006. aastal avastasid prantsuse teadlased, et päritavus hiirtes võib erandjuhul toimuda ka RNA vahendusel. Hiirtel, kellel oli mutatsiooni tagajärjel geen Kit kaotanud oma funktsiooni, oli valge saba. Teadlased avastasid, et Kit geeni mutatsioon ulatub RNA tasandile. Seega viirustes on RNA tavaline geneetilise informatsiooni ühik, kuid samal ajal on imetajates RNA pärilikkus väga vähe uuritud.

Kristallograafia

Kristallograafia on teadusharu, mille uurimisobjektiks on kristallid. Kristallograafia uurib mineraale ja kivimeid moodustavate kristallide ehitust, sümmeetriat, teket ja keemilisi ning füüsikalisi omadusi nende struktuurist lähtudes.

Kristallivormide, kristallide sümmeetria ja kristallivõrede ehituse ruumilisi seaduspärasusi käsitleb geomeetriline kristallograafia, kristallide mehaanilisi, elektrilisi, magnetilisi jm füüsikalisi omadusi uurib kristallofüüsika, valguse levimist kristallides kristallooptika. Kristallides asuvate aatomite ruumilise struktuuri määramisega tegeleb röntgenkristallograafia.

Kristallograafia on tihedais seoseis keemia ja füüsikaga. Kristallograafial põhineb mineraloogia.

Sümbiogenees

Sümbiogenees ehk endosümbioositeooria selgitab eukarüootse raku organellide – plastiidide ja mitokondri – päritolu bakterite sümbioosi kaudu.

Teooria kohaselt pärinevad need organellid varem üksikorganismina elanud prokarüootsetelt organismidelt, mis on eukarüootse raku poolt fagotsütoosi teel "alla neelatud" ja nüüd peremeesorganismi (eukarüootsesse rakku) jäänud endosümbiondina. Mitokondrid on kujunenud eukarüootse raku "alla neelatud" proteobakteritest ja kloroplastid sinivetikatest.

Endosümbiootilise teooria üks nimekamaid rajajaid ja populariseerijaid oli Lynn Margulis.

Daltonism

Värvipimedus ehk daltonism on inimese võimetus tajuda erinevusi mõnede või kõikide värvide vahel, mida teised inimesed suudavad tajuda.

Värvipimedus
Nii näevad Ameerika Ühendriikide lippu: I.Enamik inimesi II.Punapime inimene III.Rohepime inimene IV.Violettpime inimene V.Täielikult värvipime inimene
Klassifikatsioon ja välisallikad
RHK-10	Hh.53
RHK-9	368.5
OMIM	303800
DiseasesDB	2999
MedlinePlus	001002
MeSH	D003117

Värvipimeduse põhjus on tavaliselt geneetiline, kuid võib olla ka silma-, närvi- või ajukahjustus või kokkupuude teatud kemikaalidega.

Esimese uurimuse sellel teemal avaldas inglise keemik John Dalton aastal 1794 pealkirjaga "Extraordinary facts relating to the vision of colors" ("Erakordsed faktid värvide nägemise kohta"). Ta kirjutas selle siis, kui avastas, et on ise värvipime. Ta hakkas nimelt uurima, millest tuleb see, et teised suudavad küpseid ja tooreid õunu välimuse järgi eristada, aga tema ei suuda kuidagi. Tänapäeval tähendab see kindlat tüüpi värvipimedust nimetusega deuteranoopia.

Tavaliselt klassifitseeritakse värvipimedust kui puuet, kuid mõnes olukorras võib see olla kasulik: näiteks värvipimedad jahimehed eristavad loomi segase tausta juures paremini; samuti on leitud, et värvipimedad sõdurid näevad mõnikord kamuflaaži, mis petab teised ära.

Okazaki fragment

Okazaki fragment ja DNA replikatsioon. DNA replikatsioonil toimub ühel matriitsDNA-ahelal pidev uue DNA süntees (juhtiv ahel). Teisel ahelal toimub DNA süntees aeglaselt juppide kaupa (Okazaki fragment). Süntees toimub suunas 5'> 3'.

Valgud

Valgud ehk proteiinid (ka valkained) on biopolümeerid, mille monomeerideks on aminohappejäägid. Valgu molekul koosneb paljudest üksteise järele peptiididega seotud aminohapetest, mille järjestuse määrab vastava geeni transkriptsioon. Valkudel on oluline füsioloogiline roll kõikides organismides ja viirustes.

Trüpsiini (seedeensüümi) kristallid mikroskoobi all polariseerivas valguses. Polariseeriv filter annab lihtsa võimaluse eristada valgukristalle soolakristallidest, kuna valgu kristallid on valguse suhtes enamasti anisotroopsed, soolakristallid tihti mitte

Nimetus

Nimetus "proteiinid" (kreeka keeles protos 'esimene, tähtsaim') pärineb hollandi keemikult Gerardus Johannes Mulderilt, kes võttis selle kasutusele 1839. aastal.

Eestikeelse sõna "valk" lõi Johannes Voldemar Veski sõna "valge" põhjal.

Ülesanded

Valgud on kõige mitmekesisemad makromolekulid elusorganismides. Valkudel on organismis elutähtis roll, sest need osalevad põhimõtteliselt kõikides bioloogilistes protsessides: käituvad katalüsaatoritena, transpordivad ja hoiustavad teisi molekule (näiteks hapnikku), pakuvad mehaanilist tuge ja immuunkaitset, vastutavad rakuliikumise eest, osalevad närviimpulsside ülekandes, kontrollivad kasvu ja rakkude diferentseerumist.

Süstemaatika

Valgud jagunevad lihtvalkudeks ja liitvalkudeks. Liitvalkudes on lisaks lihtvalgulisele komponendile veel mittevalguline täiendav osis ehk prosteeriline rühm. Liitvalgud on näiteks fosfoproteiinid, metalloproteiinid, kromoproteiinid, proteolipiidid, glükoproteiinid jt. Lihtvalkude sekka kuuluvad näiteks albumiinid, globuliinid, histoonid, prolamiinid, gluteliinid, protamiinid ja skleroproteiinid.

Loomseid valke võib jaotada näiteks nende funktsiooni järgi järgmiselt:

• struktuursed valgud
• ensüümvalgud
• transportvalgud
• kaitsevalgud
• kontraktiilsed valgud
• retseptoorsed valgud
• regulatoorsed valgud
• depoovalgud
• eksporditavad valgud

Struktuur ja koostis

Valgud võivad koosneda ühest või mitmest peptiidist. Valgud koosnevad tuhandetest aminohapetest. Polüpeptiididest eristab neid see, et kui polüpeptiidide molekulmass on tavaliselt alla 10 000 daltoni, siis valkudel on see suurem. Molekulmass ei ole seotud bioloogiliselt aktiivsete valkude funktsiooniga. Polüpeptiidide ahelate pikkus on valkudes väga varieeruv, ulatudes sajast paarikümne tuhande aminohappejäägini. Enamik looduslikult esinevatest valkudest sisaldab alla 2000 aminohappejäägi.

Suurim teadaolev inimvalk on südamelihases paiknev titin aatommassiga 3–3,7 megadaltonit (3 000 000 daltonit); 

Peptiidid koosnevad aminohappejääkidest. Jääkideks kutsutakse neid seetõttu, et peptiidsideme moodustamisel on aminohape loovutanud vesinikuaatomi aminorühmast ja hüdroksüülrühma karboksüülrühmast, mis sideme tekkimisel eralduvad veemolekulina (dehüdratsioon). Ahela otsas olev vaba α-aminorühmaga jääki nimetatakse aminoterminaalseks (või N-terminaalseks), vaba karboksüülrühmaga jääki karboksüterminaalseks (või C-terminaalseks).

Aminohappejääkide vahele moodustunud peptiidside (sinine)

Valgud võivad koosneda nii ühest kui ka mitmest polüpeptiidahelast. Mitmesubühikulised valgud sisaldavad kahte või enamat mittekovalentselt seotud polüpeptiidi, mis võivad olla nii identsed kui ka erinevad. Kui vähemalt kaks ahelat mitmesubühikulises valgus on identsed, on valk oligomeerne ning identsed ühikud, mis koosnevad vähemalt ühest ahelast, on protomeerid. Üksikutel erandlikel valkudel võivad ahelad olla seotud kovalentselt ning sel juhul nimetatakse polüpeptiidahelaid subühikute asemel lihtsalt ahelateks.

Lihtsama struktuuriga valgu aminohappejääkide arvu saab umbkaudselt arvutada jagades molekulmassi 110-ga. Kuigi 20 tavalisema aminohappe keskmine molekulmass on 138 ühikut, esinevad valkudes enamasti väiksemad aminohapped, mille osakaale arvestades on valkude keskmise aminohappe molekulmass 128 ühikut, ning kuna peptiidsideme moodustumisel eraldub veemolekul (M=18 g/mol), taandub keskmine aminohappe molekulmass 110-le.

Valkude aminohappeline koostis on valgule iseloomulik suurus. Samas ei ole valgu täielik hüdrolüüs aminohapeteks valgu aminohappelise koostise määramiseks piisav, sest hüdrolüüsi käigus võivad esineda kõrvalreaktsioonid, näiteks teiseks aminohappeks üleminek või aminohappe täielik lagunemine. Täpse aminohappelise koostise määramiseks kasutatakse vajadusel lisaprotseduure, et hüdrolüüsiga kaasnevaid ebaselgusi lahendada.

Osa valke sisaldavad lisaks aminohapetele ka püsivalt assotsieerunud keemilisi komponente. Selliseid valke kutsutakse konjugeeritud valkudeks ja mitteaminohappelist osa prosteetiliseks rühmaks (lisarühmaks). Konjugeeritud valke liigitatakse prosteetiliste rühmade järgi (näiteks lipoproteiidid sisaldavad lipiide, glükoproteiinid sahhariidrühmi, metalloproteiidid spetsiifilisi metalle).

Valkude struktuuritasemed

• Primaarne struktuur – aminohappeline järjestus. Polüpeptiidahel koosneb regulaarselt korduvast osast – peaahelast ehk selgroost ja muutuvast osast – kõrvalahelatest. Selgrool on suur vesiniksidemete moodustamise potentsiaal, sest iga aminohappejääk sisaldab karbonüülrühma, mis on hea vesiniksideme aktseptor, ning NH-rühma (erandina proliin), mis on hea vesiniksideme doonor. Need rühmad interakteeruvad üksteisega kui ka kõrvalrühmades olevate funktsionaalrühmadega, et konkreetseid struktuure stabiliseerida.

Mõnedes valkudes on lineaarne polüpeptiidahel ristsidemetega seotud. Kõige tavalisem ristside on disulfiidsild, mis moodustub kahe tsüsteiinijäägi oksüdeerumisel. Tsüsteiinijääkide seondumisel moodustuvat kompleksi nimetatakse tsüstiiniks. Rakuvälistel valkudel on disulfiidisillad tavalised, kuid rakusisestel mitte. Harva esineb ka disulfiidsildade asemel teisi ristsidemeid (näiteks kollageenis).

• Sekundaarne struktuur – aminohappejääkide stabiilne kolmemõõtmeline struktuur (alfaheeliks või beetaleht), ka beetapööre ja oomegasilmus).

Punasega on pildil kujutatud alfaheeliksid, kollasega beetalehed

Alfaheeliks – vardasarnane struktuur. Tihedalt pakitud selgroog moodustab varda sisemise osa ning kõrvalahelad on väljapoole suunatud helikaalse struktuuriga. Struktuuri stabiliseerivad peaahela NH- ja CO-rühmade vahelised vesiniksidemed. Iga aminohappejäägi CO-rühm moodustab vesiniksideme NH-rühmaga, mis asub nelja jäägi võrra eespool asuva aminohappejäägi küljes. Üks vesiniksidemetega seotud aminohappepaar moodustab ahelast 1,5 ongströmi (Å) ning keerab ahelat 100⁰ võrra (3,6 aminohappejääki ühe heeliksipöörde kohta).

Alfaheeliks – ühe täispöörde kohta on 3,6 aminohappejääki

Beetaleht – polüpeptiidide ahel on peaaegu täielikult pikenenud, mitte tihedalt kokku pakitud nagu alfaheeliksis. Iga järgneva aminohappejäägi kõrvalahel on võrreldes eelmise jäägiga vastassuunas. Beetaleht moodustub kahe või enama beetaahela seostumisel vesiniksidemetega. Ahelad võivad olla ka vastassuunalised – antiparalleelne ebetaleht, või samasuunalised – paralleelne beetaleht. Enamikul juhtumitel on beetaleheks seostunud 4 või 5 ahelat, aga ahelate arv võib ulatuda kümneni või üle selle. Sellised beetalehed võivad olla ainult antiparalleelsed, ainult paralleelsed või segatüüpi. Beetalehed on suhteliselt lamedad, kuid on veidi väändunud.

Beetaleht – punase punktiirina on kujutatud vesiniksidemed

• Tertsiaarne struktuur – kogu valgu kolmemõõtmeline struktuur. Polaarsed ja mittepolaarsed aminohappejäägid asuvad enamasti vastavalt struktuuri välispinnal ja sisemuses, sest vesilahustes on valkudel iseloomulik hüdrofoobseid aminohappejääke (näiteks leutsiin, valiin, metioniin, fenüülalaniin) veemolekulidest eraldada. Polaarseteks aminohapeteks on näiteks asparagiinhape, glutamiinhape, lüsiin ja arginiin. Mittepolaarsete osade varjamine vee eest põhineb NH- ja CO-rühmade vaheliste vesiniksidemete ning van der Waalsi interaktsioonide struktuuri stabiliseerivatel omadustel. Valkude kolmedimensioonilisi struktuure uuritakse röntgenkristallograafia ja tuumamagnetresonants-spektroskoopia (NMR või TMR) abil.

• Kvaternaarne struktuur – kahe või enama subühiku ehk alaühiku asend ruumis. Lihtsaim kvaternaarne struktuur on dimeer, mis koosneb kahest identsest subühikust (SU).

Christian Anfinsen kirjeldas 1950ndatel aminohappejärjestuse ja valgukonformatsiooni vahelist seost ensüümi ribonukleaas põhjal.

Rakkudes takistavad valgul vale konformatsiooni võtmist erilised valgud – šaperonid (tugivalgud).

Funktsioonid

Valgu funktsioon on otseselt seotud tema kolmemõõtmelise struktuuriga. Seega kujutab valk endast ülekannet ühedimensioonilisest järjestusest kolmedimensiooniliste molekulideni, mis on võimelised mitmekülgseks aktiivsuseks. Kui valk kaotab struktuurimuutuste järel oma ensümaatilise aktiivsuse, on tegemist valgu denatureerumisega.

Paljude valkude funktsiooniks on teiste molekulide sidumine. Seotavat molekuli kutsutakse ligandiks. Ligandiks võib olla igat tüüpi molekul, ka valk. Ligandide mööduv seondumine on elusorganismis äärmiselt oluline, sest lubab organismil reageerida keskkonnamuutuste ja metabolismiseisunditele kiiresti ja pöörduvalt. Ligandi seostumise kohta valgus kutsutakse sidumiskohaks, mis on ligandi suuruse, kuju, laengu ja hüdrofiilsete või -foobsete omadustega komplementaarne. Ligandi seostumine on spetsiifiline, sest iga sidumiskoht saab interakteeruda vaid ühe või mõne ligandiga. See on väga tähtis elusorganismide kõrge organiseerituse säilitamiseks.

Ensüümid

 Valkude struktuur on liikuv. Konformatsioonimuutused võivad olla alates aminohappejääkide molekulaarsetest vibratsioonidest kuni mitmenanomeetriliste muutusteni segmentide liikumisel. Spetsiifilised konformatsioonilised muutused on sageli valgu funktsiooni jaoks vajalikud. Valgu ja ligandi seondumisega kaasneb enamasti ka konformatsioonimuutus, mis teeb sidumiskoha ligandi jaoks komplementaarsemaks, mis viib selle tugevama seondumiseni. Multisubühikulistes valkudes mõjutab ühe subühiku konformatsioonimuutus ka teiste subühikute kuju. Ensüümid on erilise funktsiooniga valgud, sest seondavad ja muudavad keemiliselt teisi molekule – katalüüsivad reaktsioone. Ensüümidega seonduvaid molekule kutsutakse ligandide asemel substraadiks ning ligandi seostumise kohta kutsutakse aktiivtsentriks. Ensümaatiline katalüüs on elusorganismidele hädavajalik, sest bioloogiliselt vajalikes tingimustes on mittekatalüseeritud reaktsioonid enamasti aeglased, sest enamik bioloogilisi molekule on rakkudes oleva neutraalse pH, mõõduka temperatuuri juures ja veekeskkonnas üsna stabiilsed. Lisaks sellele ei ole mitmete vajalike biokeemiliste reaktsioonide toimumine soodustatud või on ebatõenäoline.

Ensüümid on äärmisel efektiivsed katalüsaatorid. Nad muudavad madalamaks reaktsiooni aktivatsioonienergia ning suurendavad sellega reaktsiooni kiirust (10⁶ pealt 10¹⁷-ni). Ensüümkatalüüsitud reaktsioonidele on iseloomulikuks substraadi ja ensüümi vahel tekkiv kompleks. Ensüüm ei mõjuta reaktsiooni tasakaalu. Seostumisenergiat saab kasutada substraadi entroopia madaldamiseks või ensüümis konformatsioonilise muutuse esilekutsumiseks. Seostumisenergia seletab ka ensüümide väga suure täpsuse substraatide suhtes.

Oluline osa ensümaatilise kiiruse suurendamiseks vajalikust energiast saadakse substraadi ja ensüümi vahel olevatest nõrkadest interaktsioonidest (vesiniksidemed ning hübrofoobsed ja ioonilised interaktsioonid). Ensüümi sidumiskoht on struktureeritud nii, et mõned nendest nõrkadest interaktsioonidest esinevad eelistatult reaktsiooni üleminekuolekutes, et neid stabiliseerida. Paljude interaktsioonide vajalikkus põhjustab ka selle, et ensüümid on suurte mõõtmetega.

Teised ensüümide kasutatavad katalüütilised mehhanismid on näiteks happe-aluse katalüüs, kovalentne katalüüs ja metalliiooni katalüüs. Katalüüs sisaldab mööduvaid kovalentseid interaktsioone substraadi ja ensüümi vahel või funktsionaalsete rühmade üleminekuid ensüümile või selle küljest.

Valgusüntees

 Valgusüntees on mitmeastmeline protsess, milles rakud taastoodavad valke. See algab aminohappe sünteesist ja tuumast pärineva DNA transkriptsioonist mRNA-ks, mis on hiljem translatsiooni alginformatsiooniks ning määrab valgu aminohappelise järjestuse. Translatsiooni viivad läbi ribosoomid, mis koosnevad rRNAst ja valkudest. Selle käigus kinnitub ribosoom mRNA otsale ning liigub piki ahelat edasi, püüdes aminohapetega seondunud tRNA-sid ja lubades mRNA koodonitel paarduda sobivate tRNA antikoodonitega. tRNA küljes ribosoomi kantud aminohapejäägid liidetakse kokku peptiidsidemete abil ning vabad tRNA-d vabastatakse protsessist. Pärast võib aset leida veel valgu keemiline modifitseerimine, mida nimetatakse posttranslatsiooniliseks modifikatsiooniks, ja valgu voltumine.

Prokarüootide ja eukarüootide valgusüntees on erinev. Prokarüootides toimub translatsioon tsütoplasmas, eukarüootide puhul endoplasmaatilises retiikulumis.

Lühemaid valgujärjestusi suudetakse tänapäeval edukalt sünteesida ka keemiliste meetodite abil. Seejuures on sel viisil võimalik mittekanooniliste aminohapete liitmine valgujärjestustesse.

Valkude eraldamise meetodid

Valkude sisalduse mõõtmine Bradfordi meetodil. Bradfordi reagent annab valkudega reageerides sinise värvuse. Värvuse intensiivsus peegeldab valkude sisaldust ja seda saab mõõta spektrofotomeetriga

 Konkreetsete valkude eraldamiseks valkude segust on erinevaid meetodeid:

• väljasoolamine – eri valgud sadestuvad erineva soolakontsentratsiooni juures;
• dialüüs – eraldamine läbi poolläbilaskva membraani;
• geelfiltratsioonkromatograafia – suuremate ja väiksemate molekulide erinev liikuvus läbi geeli;
• ioonivahetuskromatograafia – laenguga valkude seondumine kolonni;
• afiinsuskromatograafia – valkude afiinsus spetsiifiliste keemiliste rühmade suhtes;
• kõrgefektiivne vedelikkromatograafia (kõrgsurvevedelikkromatograafia).

NAD (Nikotiinamiid adeniin dinukleotiid )

Nikotiinamiid adeniin dinukleotiid ehk NAD on kõigis elusates rakkudes levinud koensüüm. See esineb kahes vormis, millest redutseeritud on NADH ja oksüdeeritud NAD⁺.

NAD⁺ (oksüdeeritud vorm) ja NADH (redutseeritud vorm)

Seda ühendit nimetatakse dinukleotiidiks, sest see on moodustatud kahest nukleotiidist, mis on omavahel ühendatud fosfaatgruppide vahendusel. Ühe nukleotiidi koostisse kuulub adeniin ja teise koostisse nikotiinamiid. Nikotiinamiid on ühtlasi selle elektronkandja reaktiivseks osaks ja see on tuntud ka kui B₃-vitamiin ehk niatsiin.

NAD⁺ osaleb redoksreaktsioonides, kus ta oksüdeerijana seob kaks elektroni ja vesinikaatomi, ja tekib redutseeritud vorm NADH. NADH on seega aktiveeritud kandja, mis kannab toitainete oksüdeerimisel elektrone.

NAD⁺ on vahelüli toitainete oksüdeerumisel, mille käigus võtab suure potentsiaaliga elektronid lõpuks vastu O₂. Aktiveeritud kandjatel on suurem elektronafiinsus kui süsinikühenditel, kuid väiksem afiinsus kui O₂-l. Aktiveeritud elektronid liiguvad väiksema afiinsusega kandja juurest suurema afiinusega kandja juurde, selline elektronide liikumine tagab nende edasikandumise O₂-le läbi elektronide transpordiahela. Hoolimata sellest on NADH väga stabiilne, mis on väga oluline bioloogilisest seisukohast vaadatuna, sest võimaldab reguleerida ensüümidega vaba energia vallandumist.

Funktsioon biokeemilistes protsessides

Glükolüüs

Glükolüüs

Glükolüüsi teises etapis, kus kolmesüsinikulised ühendid muundatakse püruvaadiks, kasutatakse taandajana NAD⁺-i. Redoksreaktsiooni käigus muudetakse glütseeraldehüüd-3-fosfaat ehk GAP 1,3-bifosfoglütseraadiks, mida tehakse glütseeraldehüüd-3-fosfaadi dehüdrogenaasi abil. Dehüdrogenaasid kasutavad tavaliselt katalüüsil NAD⁺-i või NADH-i, olenevalt sellest kas H-aatomit on vaja siduda või kanda üle aktseptormolekulile.

Selleks, et glükolüüs kestaks edasi, on vaja taastoota NAD⁺-i. Seda tehakse püruvaadi metaboliseerimise käigus. Glükoosist tekib püruvaat, mis võib muunduda edasi kolmel viisil:

• laktaadiks,
• etanooliks,
• CO₂-ks ja veeks.

Fermentatsioonid ehk käärimised on protsessid, mis toimuvad anaeroobsetes tingimustes ja mille käigus tekib ATP. Fermentatsioonid on üks viis, kuidas oksüdeerida NADH-i ja taastoota NAD⁺-i. Alkoholkäärimise käigus tekib NAD⁺ atseetaldehüüdi muundumisel etanooliks. Piimhappekäärimises tekib NAD⁺ püruvaadi muundumisel laktaadiks. Mõlemaid protsesse viib läbi rakusisene ensüüm dehüdrogenaas, mis viitab NADH-i ja NAD⁺-i kasutamisele reaktsioonis.

Glükoneogenees

NAD⁺-i kasutatakse ka glükoneogeneesis, protsessis, kus sünteesitakse glükoosi püruvaadist. NADH-d kasutatakse glütseeraldehüüd-3-fosfaadi tekkimiseks. Reaktsioon on glükolüüsiga ühine.

Tsitraaditsükkel

Tsitraaditsükkel

Tsitraaditsüklit ettevalmistavates reaktsioonides tekib püruvaadist püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis atsetüülkoensüüm-A (atsetüül-CoA). Atsetüül-CoA-i tekkeks on vaja koensüüm-A-d ja NAD⁺-i. Et püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks saaks läbi viia ka järgmist reaktsiooni, tuleb taastada lipoamiidi algne vorm. Lipoamiid on vajalik, et püruvaadist tekiks atsetüül-CoA. Taastamisprotsessis on samuti vaja NAD⁺-i.

Tsitraaditsüklis ei saada palju adenosiintrifosfaati ehk ATP-d, kuid kasutatakse NAD⁺-i kolm korda. See tähendab, et tsitraadist eraldatud elektronid seotakse ja tekib kolm korda NADH-i, mida kasutatakse ATP tootmisel. Tsitraaditsüklis liiguvad elektronid läbi membraani, kasutades selleks valke, ning liikumisel tekib prootongradient, mis aitab ADP-st toota ATP-d. Tsitraaditsükkel koosneb kahest osast, kus esimeses NAD⁺-i kandjaid kasutatakse isotsitraadi muundamisel a-ketoglutaraadiks ja viimase muundamisel suktsinüül-CoA-ks. Teises osas kasutatakse NAD⁺-i malaadi muundamisel uuesti oksaalatsetaadiks.

Tsitraaditsükli kataboolne põhifunktsioon on kõrge energiaga elektronide saamine NADH- ja FADH₂-na. Tsitraaditsüklis moodustunud NADH ja FADH₂ oksüdeeritakse elektronide transpordiahela abil, mille tulemusena saadakse lõpus 2,5 ATP-i molekuli NADH-i kohta ja 1,5 ATP-i molekuli FADH₂-i kohta.

Tsitraaditsüklit reguleeritakse NADH-i abil. Kui rakus on NADH-i palju, siis inhibeerub isotsitraadi dehüdrogenaas ja samuti a-ketoglutaraadi dehüdrogenaas, sellega on kontrollitud tsitraaditsükli kiirus. Oluline on ka see, et tsitraaditsüklis on ensüüme, mis vajavad NAD⁺-i või FAD-i. "Need ensüümid töötavad tingimustes, kus raku energialaeng on madal, sest ainult siis on NAD⁺ ja FAD saadaval".

Glükosülaaditsükkel

Glükosülaaditsükli abil saavad taimed ja bakterid muundada rasvu süsivesikuteks. Glükosülaaditsükli reaktsioonid klapivad tsitraaditsükli omaga, kuid puuduvad dekarboksüülimisreaksioonid. Seega kasutatakse siin tsüklis ühte NAD⁺-molekuli koos malaadi dehüdrogenaasiga, et saada malaadist oksaalatsetaat.

Elektronide transpordiahel

Elektronide transpordiahel on membraanis asuvate valkude kompleks, mille kaudu liiguvad NADH-lt saadud elektronid. Valgukomplekse on kolm. Kui elektronid liiguvad transpordiahelas, tekitab see prootongradiendi, mida saab kasutada ATP sünteesiks ja metaboliitide transpordiks.

"Oksüdatiivse fosforüülimise liikumapanevaks jõuks on NADH-i elektronide ülekandevõime O₂ suhtes". Elektronide ülekanne NADH-lt O₂-le on eksergooniline protsess.

Elektronide transpordiahel

Elektronide transpordiahelas kanduvad elektronid NADH-lt üle O₂-le mitmete kandjate abil, mis kokku moodustavad kindla rea. Rida on seatud nii, et elektronid liiguvad alati kandjate poole, millel on suurem elektronide afiinsus. NADH-i elektronide esimesena läbitav valgukompleks on NADH-Q oksüdoreduktaas, mis on väga suur valgukompleks ja transpordib prootoneid maatriksist välja. Hingamisahela ülesanne seisneb NAD⁺-i taastootmises, milleks ta peab sisenema mitokondrisse, kuid mitokondri sisemembraanist ei pääse läbi NAD⁺ ega NADH. Seega viiakse NADH-i elektronid mitokondrisse süstiku abil.^[1]

Glükoosi täielikul oksüdeerimisel tekib 18 NADH-i molekuli. Oksüdatiivset fosforüleerimist saab NADH-i abil pidurdada kahel etapil:

• elektronide transpordiahela pidurdamine
• elektronide transpordi eraldamine ATP sünteesist

Oksüdatiivse fosforüleerimise pidurdamist tekitavad paljud mürgid, mis on surmavad või tugevalt kahjustavad.

Rasvhapete lagundamine

Rasvhapete oksüdeerimisel tekib NADH. Palmitoüül-CoA lagundamiseks läheb vaja 7 NAD⁺-molekuli, sest igas reaktsioonitsüklis eraldub üks NADH-molekul, aga reaktsioonitsüklit peab läbi viima seitse korda.

Rasvhapete lagunemisel tekib peale atsetüül-CoA ka ketokehasid. Ketokehade kasutamisel energiaallikana tekib NADH.

Aminohapete süntees

NADH-i kasutatakse asendavate aminohapete sünteesil (aminohapped, mida inimene suudab ise sünteesida).

Telomeeride lühenemine rakujagunemisel

NAD⁺ ja vananemine

Rakud kasutavad NAD⁺-i sirtuiini aktiveerimiseks. Sirtuiin on valk, mis kiirendab ainevahetust, vähendab rakustressi ja pikendab raku eluiga. Sirtuiinididel on oluline roll telomeeride pikkuse säilitamisel ning telomeeride pikkust on seostatud pika elueaga.

Mida vanemaks inimene saab, seda madalamaks muutub NAD⁺-i tase kehas. Põhjuseks on CD-38, mis hävitavad NAD⁺-i kehale mittekahjulikule tasemele. Tegelikult aitab NAD⁺-i hävitamine reguleerida unetsüklit ja toitumist. NAD⁺-rikaste toidulisandite manustamisel on võimalik vananemisprotsessi edasi lükata.

NAD⁺ ja haigused

Mirokondri ehitus

Kliiniline huvi NAD⁺-i vastu tekkis siis, kui avastati, et NAD⁺ või selle aktiveeritud sirtuiinid toetavad mitokondri funktsioone. NAD⁺-i abil saab ravida haigusi, mis on mitokondriaalse tekkega, varieerudes geneetilistest mitokondriaalsetest haigustest kuni vähini, ning vananemisega seotud haigusi, nii metaboolseid kui ka närvisüsteemi haigusi.