Valgusüntees

Valgusüntees ehk valgu biosüntees on valkude moodustamise protsess rakkudes, milles osalevad RNA-d ja ribosoomid.

Sageli nimetatakse valgusünteesi ka translatsiooniks või viidatakse mõiste kasutamisel vaid translatsiooni mehhanismile, kuid valgusünteesis on laiem mõiste. Tegemist on mitmeastmelise protsessiga, mis algab aminohappe sünteesist ja tuumast pärineva DNA transkriptsioonist mRNA-ks (sõnumi-RNA ehk messenger-RNA), mis on hiljem translatsiooni alginformatsiooniks. Seega on valgusüntees protsessi, milles rakud loovad ja taastoodavad valke.

Valk on oma primaarstruktuurilt polümeer, mille monomeerideks on 20 (21) aminohapet. Aminohapped on polümeeri ahelates ühendatud peptiidsidemete abil. Valgusünteesis toimub mRNA translatsioon polüpeptiidiks.

Geneetilist informatsiooni kantakse üle nukleiinhapetes, DNA-s ja RNA-s. Seda väljendatakse neljatähelise "tähestiku" abil, millega moodustatakse kolmetähelised "sõnad". Viimased transleeritakse omakorda valkudeks, mille "tähestik" on palju mahukam.

RNA-d transkribeeritakse rakutuumas. Protsessi lõpetamisel transporditakse mRNA tsütoplasmasse ja transleeritakse

Tsistroonset DNA-d kasutatakse mitme RNA vaheühendi sünteesiks. Tsistroonne DNA on selline DNA lõik, mis kodeerib ühte ainsat polüpeptiidi ja on seega päriliku informatsiooni ühikuks. Lõppvarianti kasutatakse polüpeptiidse ahela sünteesiks. Tihti sünteesitakse valke mRNA transleerimisel. Kui mõnda valku on vaja suurtes kogustes või lühikese aja jooksul, sünteesitakse ka valgu prekursor. Eelproteiin (või proproteiin) on töövõimetu valk, mis sisaldab ühte või enam inhibitoorset peptiidi, mis aktiveeritakse posttranslatsioonilise modifikatsiooni käigus, kui eemaldatakse mitteaktiivsed järjestused. Preproteiin on valguvorm, kus esineb signaaljärjestus (N-terminaalse otsa signaaljärjestus), mis määrab selle sisenemise viisi läbi membraanide. Preproteiinid sisaldavad nii inhibitoorseid kui ka signaaljärjestusi.

Valgusünteesi käigus tuuakse tRNA molekulid, mis sisaldavad sobivaid aminohappeid, lähestikku mRNA ahelaga ning aluspaarid paarduvad omavahel, sobivad mRNA koodonid paarduvad sobivate tRNA antikoodonitega. Aminohapped liidetakse kokku peptiidsidemete abil ning vabad tRNA-d vabastatakse protsessist. Kogu protsessi viivad läbi ribosoomid, mis koosnevad kahest põhilisest RNA ahelast – rRNA-st (ribosoomi RNA) ja enam kui 50 liiki valgust. Ribosoom kinnitub mRNA otsale ning liigub piki ahelat, püüdes aminohapetega tRNA-sid, ühendades aminohappeid ja luues uusi valguahelaid.

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

Transkriptsioon

 Transkriptsiooni mehhanismi avastajateks olid Watson ja Crick 1953. aastal.

Transkriptsiooni käigus luuakse mRNA ahel, mille aluseks on kaksikahelalise DNA üks ahelatest. See on mRNA malliks. Transkriptsiooni võiks üldiselt jagada kolme ossa – initsiatsioon ehk algatamine, elongatsioon ehk pikendamine ja terminatsioon ehk lõpetamine. Transkriptsiooni faktorid ja kofaktivaatorid reguleerivad kõiki kolme etappi. Kuna sünteesida on vaja õige ahel, on kontroll väga tähtis. RNA polümeraas interakteerub transkriptsiooni faktoritega ning viib läbi mRNA ahela sünteesi.

DNA ahelat loetakse 3’ otsast 5’ otsa ning mRNA-d sünteesitakse 5’ otsast 3’ otsa. Protsessi viib läbi RNA polümeraas. Transkriptsioon leiab aset rakutuumas, kus säilitatakse ka raku DNA-d. Raku DNA ahel koosneb kaksikheeliksist, mis sisaldab suhkrujääke ja fosfaate. Seda kõike hoiavad koos lämmastikalused. Suhkrujääke ja fosfaate ühendavad vesiniksidemed. Ensüüm helikaas "lukustab lahti" DNA ahelad, üks ahelatest jääb šablooniks mRNA sünteesil. RNA polümeraas loeb DNA ahelat 3’ suunast 5’ suunda. Samal ajal sünteesib ta mRNA ahelat 5’–3’ suunas. Positiivne RNA ahel luuakse negatiivse DNA ahela alusel. Üldiselt DNA ja RNA ahelad sarnanevad struktuuri poolest, kuid DNA lämmastikalus tümiin on RNA ahelas asendatud uratsiiliga. Üheahelaline mRNA lahkub tuumast tuumapooride kaudu ja migreerub tsütoplasmasse. Osa geene transkribeeritakse tihedamini kui teised. Samuti transkribeeritakse mõnda geeni vaid lühikest aega raku eluea jooksul, teisi toodetakse juurde pidevalt.

Eukarüootides toimub transkriptsioon tuumas ning transkript transporditakse tsütoplasmasse translatsiooni läbiviimiseks. Transkriptsioon ja translatsioon on võimalik ka kloroplastides ja mitokondrites. Mitokondrite ja kloroplastide membraanides on hulgaliselt valgulisi kanaleid, seepärast vajavad need organellid eraldi valgusünteesi. Mõned valgud kodeeritakse otse tuumas DNA alusel, sünteesitakse tsütoplasmas ning lõpuks transporditakse organellidesse.

Bakterite ja arhede puhul toimub kogu protsess tsütoplasmas. Bakteriaalne mRNA võib olla polütsistroonne (kodeerida mitmeid polüpeptiide) ning mRNA võib sisaldada informatsiooni enam kui ühelt geenilt. Eeltuumsete puhul toimub translatsioon esmaselt transkriptilt. Päristuumsete puhul allub pre-mRNA protsessingule.

Transkriptsioonijärgsed protsessid päristuumsetes organismides

Pre-mRNA-d modifitseeritakse kolmel viisil. Kõik protsessid toimuvad rakutuumas. Esimese etapina lisatakse pre-mRNA 5' otsa 7-metüülguanosiin. Protsess vajab ensüüme fosfataasi ja guanosüül transferaasi. Protsess kannab nimetust capping ning selline pre-mRNA modifitseerimine kaitseb RNA transkripti ribonukleaaside eest, mis seonduvad just 3'5' fosfodiestersidemetele. Polüadenülatsiooni faasis lisatakse pre-mRNA 3' otsa umbes 250 adeniini ning seda kutsutakse polü(A) sabaks. Prekursormolekulina kasutatakse ATPd. Sünteesijärgselt seob polü(A) saba endaga mitmeid valke, mis kaitsevad 3' otsa ribonukleaaside eest. Viimast modifikatsiooni etappi nimetatakse splaissimiseks. Selle protsessi tulemusena lõigatakse pre-mRNA-st välja intronid, mis ei kodeeri valke, ja ühendatakse eksonid üheks molekuliks. Reaktsiooni viib läbi suur valguline kompleks splaissosoom. Paljusid pre-mRNA-sid, ka neid, mis kodeerivad antikehi, võib splaissida mitmel viisil, et toota erinevaid mRNA-sid, mis kodeerivad erisuguseid valke. Viimast protsessi tuntakse alternatiivse splaissingu nime all. See lubab toota küllaltki suurt hulka valke piiratud DNA kogusest. Protsessingu tulemusena moodustub küps mRNA, mis on valmis translatsiooniks tsütoplasmas.

Translatsioon

Valkude sünteesi nimetatakse eri allikates translatsiooniks. Tegelikult on translatsioon üldise valgu biosünteesi kolmas etapp. Ribosoom kodeerib transkriptsiooni käigus loodud mRNA aminohappeks või polüpeptiidiks, mis hiljem voltub aktiivseks valguks. Translatsioon toimub tsütoplasmas, kus paiknevad ribosoomid. Ribosoomid koosnevad kahest alaühikust – suurest ja väikesest, mis ümbritsevad translatsiooni protsessi ajal mRNA-d. mRNA seondub ribosoomi spetsiifilise stardisignaaliga, mis asub P-saidis. Stardikoodoni tunneb ära initsiaator-tRNA. Pärast seda, kui initsiaator-tRNA ja mRNA on seondunud ribosoomi väikesele alaühikule, seondub sellele ka suur alaühik. mRNA kodeeritakse tootma erilist polüpeptiidi, mis vastab geneetilise koodi reeglitele. Selle reegli kohaselt kasutatakse mRNA-d mallina tootmaks aminohappelist ahelat, millest hiljem moodustub valk. Translatsioon koosneb neljast etapist: aktivatsioon ehk ergastamine, initsiatsioon ehk algatamine, elongatsioon ehk pikendamine ja terminatsioon ehk lõpetamine. Kõik neli kirjeldavad kasvavat aminohappelist ahelat.

Aktivatsiooni etapis seotakse vastavate süntetaaside abil õige aminohape talle sobiva tRNA-ga. Kuigi seda ei loeta translatsiooni tehniliseks etapiks, on see staadium, kust alates võib translatsioon edasi minna. Aminohape seob end tRNA-ga oma karboksüülrühma abil, tRNA-l on selleks olemas 3’ hüdroksüülrühm, moodustub esterside. tRNA on nüüd laetud olekus. Initsiatsiooni etapp hõlmab ribosoomi väikese alaühiku seondumist mRNA 5’ otsale. Sellel etapil on abiks initsiatsioonifaktor. Ka teised valgud võivad selles etapis abiks olla. Elongatsiooni faas jõuab kätte, kui järgmine aminoatsüül-tRNA ehk laetud tRNA seondub ribosoomiga, koos GTP ja elongatsioonifaktoriga. Tähtsal kohal on sõnumi õigesti kodeerimine, seepärast on olemas ka lisakontrolli protsess, mida nimetatakse täppislugemiseks (proofreading).

Elongatsioonifaktoritel on kaks põhilist ülesannet – aminoatsüül-tRNA seondumine A-saiti ja peptidüül-tRNA translokatsioon A-saidist P-saiti. Samas, elongatsiooni tähtsaim protsess – peptidüülrühma ülekandmine on spontaanne protsess ning ei vaja lisafaktoreid.

Terminatsioonietapp jõuab kätte siis, kui ribosoomi A-sait tunneb ära stoppkoodoni (kas UAA, UAG või UGA). tRNA ei tunne sellist järjestust, kuid vabastusfaktor (releasing factor) tuvastab "veidrad järjestused" ning põhjustab aminohappelise ahela vabastamist.

Võimet peatada või inhibeerida valgusünteesi kasutavad mitmed antibiootikumid, nagu näiteks anisomütsiin, tsükloheksimiid, klooramfenikool, tetratsükliin, streptomütsiin ja teised.

Posttranslatsioonilised protsessid

 Pärast valgusünteesi toimub valgu keemiline modifikatsioon, mida nimetatakse posttranslatsiooniliseks modifikatsiooniks ja valgu voltumine. Posttranslatsioonilised modifikatsioonid on valgu biosünteesi hilisem staadium, seega on nad geeniekspressioonil tähtsad. Posttranslatsioonilised modifikatsioonid laiendavad valkude funktsioone. Tavaliselt rünnatakse valkude funktsionaalseid gruppe, näiteks atsetaate, fosfaate, erinevaid lipiide ja karbohüdraate. Sageli muudetakse aminohapete keemilist iseloomu (näiteks arginiini muutmine tsitrulliiniks) ja keemilist struktuuri (disulfiidsildade moodustamine).

Ensüümid võivad eemaldada aminohappeid valkude N-terminaalsest otsast ja lõigata peptiidahelat keskelt. Näiteks hormooni insuliin lõigatakse kaks korda pärast disulfiidsildade moodustumist – keskelt eemaldatakse propeptiid ja lõplik valk koosneb kahest polüpeptiidiahelast, mis on ühendatud disulfiidsildadega. Esimeseks aminohappeks valguahelas on tavaliselt metioniin, mis eemaldatakse sageli posttranslatsioonilisel modifikatsioonil.

Fosforüleerimist kasutatakse kontrollimaks valgu käitumist, viimase aktiveerimisel ja inaktiveerimisel.

Posttranslatsioonilist modifikatsiooni jälgitakse massispektromeetria ja Eastern bloti abil.

Valkude voltumiseks nimetatakse valkude omadust võtta erilist kuju. Oletatakse, et enne ja pärast valgusünteesi moodustavad valgud sekundaarseid ja tertsiaarseid struktuure.

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).