G-valguga seotud retseptorid

G-valguga seotud retseptorid (ingl k G protein-coupled receptors (GPCR)) moodustavad suure osa valguliste retseptorite perekonnast, mis tuvastavad rakuväliseid molekule ja aktiveerivad rakusiseseid signaaliülekande radasid, mille tagajärjel saavutatakse bioloogiline vastus (igasugune muutus raku olekus või aktiivsuses, näiteks liikumine, ainete sekreteerimine, ensüümide tootmine, geenide ekspressioon jne.). GPCR-id on membraanisisesed valgud, millel on seitse membraani läbivat domeeni (transmembraanset heeliksit).

Melanokortiin-4 retseptori struktuur, kus on näha G-valguga seotud retseptoritele iseloomulikud seitse membraani läbivat domeeni

G-valguga seotud retseptoreid leidub ainult eukarüootides, sealhulgas pärmis, kaelusviburlastes ning teistes loomades. GPCR-ile seostuvad ja neid aktiveerivad ligandid võivad olla valgustundlikud ühendid, lõhnaained, feromoonid, hormoonid või neurotransmitterid ning varieeruvad mõõtmetelt väikestest molekulidest suurte valkudeni. G-valguga seotud retseptorid on seotud paljude haigustega ning on ligi 40% moodsate ravimite sihtmärgiks. 2012. aasta Nobeli keemiaauhind anti Brian Kobilkale ja Robert Lefkowitzile nende töö eest G-valguga seotud retseptoritega.

G-valguga seotud retseptoritel on kaks põhilist signaalirada: cAMPi signaalirada ja fosfatidüülinositooli signaalirada. Kui ligand seostub GPCR-ile, toimub viimases konformatsioonimuutus, mis laseb sel käituda guaniini nukleotiidi vahetusfaktorina (ingl k Guanine nucleotide exchange factor ehk GEF). GPCR saab seejärel aktiveerida seotud G-valgu, asendades sellele seotud guanosiindifosfaadi (GDP) guanosiintrifosfaadiga (GTP). G-valgud koosnevad kolmest alaühikust (valgumolekulist, mis seostub teiste valgumolekulidega ja moodustab nendega kompleksi): alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ), kusjuures α-alaühik on seotud GDP või GTP-ga ning β- ja γ-alaühikud moodustavad püsiva dimeerse βγ kompleksi. G-valgu α-alaühik koos GTP-ga saab dissotsieeruda β- ja γ-alaühikute küljest, et mõjutada rakusiseseid signaalmolekule või sihtmärke, sõltuvalt α-alaühiku tüübist.

Klassifikatsioon

GPCR-i perekonna täpne suurus on teadmata, aga inimese genoomi järjestuse analüüsil on leitud ligi 800 geeni (umbes 4% tervest valke kodeerivast genoomist), mis eeldatavasti kodeerivad G-valguga seotud retseptoreid. Kuigi välja on pakutud paljusid klassifitseerimise skeeme, jagatakse G-valguga seotud retseptorite perekond klassikaliselt kolme põhiklassi (A, B ja C), kus klasside järjestuste vahel pole tuvastatavat homoloogiat. Kõige suurem klass on A, kuhu kuulub ligi 85% GPCR geenidest. A-klassi kuuluvatest geenidest omakorda üle poolte kodeerivad maitsmismeele retseptoreid, ülejäänutele vastavad teadaolevad endogeensed ligandid või liigitatakse orbretseptorite alla. Järjestuse homoloogiate puudumisele vaatamata on eri klasside GPCR-id ühesuguse struktuuriga ja signaaliülekande mehhanismiga. Kokkuvõtvalt saab G-valguga seotud retseptorid jagada kuude klassi, põhinedes järjestuste homoloogial ja funktsionaalsetel sarnasustel:

• A-klass (või 1. klass) (rodopsiinilaadsed)
• B-klass (või 2. klass) (sekretiini retseptori perekond)
• C-klass (või 3. klass) (metabotroopse glutamaadi retseptor)
• D-klass (või 4. klass) (seente paljunemisferomoonide retseptorid)
• E-klass (või 5. klass) (tsüklilise AMP retseptorid)
• F-klass (või 6. klass) (kräsuline/silutud, ingl k Frizzled/smoothened)

Väga suur rodopsiini A-grupp jaguneb täiendavalt 19 alagrupiks (A1-A19). C-klassi hulka liigitatakse veel mõned retseptorid, näiteks teatud orbretseptorid ja gamma-aminobutüürhappe B (GABA(B)) retseptor.

Füsioloogiline roll

G-valguga seotud retseptorid on seotud väga paljude füsioloogiliste protsessidega. Mõned näited nende füsioloogilisest rollist:

1. Nägemismeel: opsiinid muudavad elektromagnetkiirguse rakusignaaliks fotoisomerisatsiooni reaktsiooni abil. Näiteks rodopsiin muundab 11-cis-retinaali trans-retinaaliks.
2. Maitsmismeel: GPCR-id maitsmisrakkudes vahendavad gustdutsiini vabanemist mõru ja magusa maitsega ainete söömisel.
3. Haistmismeel: haistmisrakkude (olfaktoorne epiteelkude) retseptorid seovad lõhnaaineid ja feromoone.
4. Käitumise ja meeleolu regulatsioon: imetajate ajus olevad retseptorid seovad mitmesuguseid neurotransmittereid, nende hulgas serotoniini, dopamiini, GABA-t ja glutamaati.
5. Immuunsüsteemi aktiivsuse ja põletiku regulatsioon: kemokiini retseptorid seovad ligande, mis vahendavad immuunsüsteemi rakkude vahelist suhtlust; mõned retseptorid, näiteks histamiini retseptor, seovad põletiku vahendajaid ja suunavad kindlaid rakutüüpe põletikulist vastust andma.
6. Autonoomse närvisüsteemi ülekanded: GPCR-id reguleerivad nii sümpaatilist kui parasümpaatilist närvisüsteemi, mis vastutavad paljude keha iseeneslike protsesside kontrolli eest, nagu vererõhk, pulss ja seedimisprotsessid.
7. Homöostaasi moduleerimine.
8. On seotud mõnda tüüpi kasvajate kasvu ja levikuga.

Struktuur

GPCR on membraanisisesed valgud, millel on seitse membraani läbivat domeeni (transmembraanset heeliksit). Retseptori rakuvälised osad võivad olla glükosüleeritud. Need rakuvälised aasad sisaldavad ka kahte tsüsteiinijääki, mis moodustavad disulfiidsidemeid, mis stabiliseerivad retseptori struktuuri. Varajased G-valguga seotud retseptorite struktuurid põhinesid nende nõrgal analoogial bakterirodopsiiniga, mille struktuur oli määratud nii elektrondifraktsiooni kui ka röntgenkristallograafia abil. Aastal 2000 õnnestus saada esimene imetaja GPCR-i (veise rodopsiini) kristallstruktuur. Kuigi retseptori põhiosa, seitse transmembraanset heeliksit, on ühesugune, erineb heeliksite paiknemine üksteise suhtes märgatavalt bakterirodopsiinist. 2007. aastal saadi ka esimene inimese GPCR-i struktuur. Kohe järgnes ka kõrgema eraldusvõimega struktuur samast retseptorist. See inimese β2-adrenergilise retseptori struktuur osutus väga sarnaseks veise rodopsiiniga heeliksite paiknemise osas. Samas on teise rakuvälise silmuse konformatsioon kahel struktuuril täiesti erinev. Kuna see silmus moodustab "kaane", mis katab ligandi sidumistaskut, illustreerib see konformatsioonide erinevus homoloogia mudelite loomise raskusi, põhinedes ainult rodopsiini struktuuril.

Eraldatud on ka aktiveeritud ja/või agonisti sidunud GPCR-ide struktuurid. Need struktuurid näitavad, kuidas ligandi seostumine rakuvälises osas muudab retseptori rakusisese osa konformatsiooni. Suurim muutus on viienda ja kuuenda heeliksi väljapoole liikumine. Aktiveeritud β2-adrenergiline retseptor kompleksis Gs-iga (G-valk, mis aktiveerimisel stimuleerib adenülaadi tsüklaasi) kinnitas, et G-valgu α-alaühik seostub selle liikumise tulemusel tekkinud taskusse.

Ligandid

GPCR-ide ligandide nimekiri on küllaltki pikk. Nende hulka kuuluvad adenosiin, bombesiin, endoteliin, γ-aminobutüürhape (GABA), melanokortiinid, neuropeptiid Y, opioidpeptiidid, opsiinid, somatostatiin, biogeensed amiinid (nt dopamiin, epinefriin, norepinefriin, histamiin, glutamaat, atsetüülkoliin ja serotoniin), kemokiinid, lipiidsed põletiku vahendajad (nt prostaglandiinid, prostanoidid, leukotrieenid), peptiidhormoonid (nt folliikuleid stimuleeriv hormoon (FSH), gonadotropiini vabastav hormoon (GnRH), neurokiniin, kannabinoidid). G-valguga seotud retseptorid, mille ligande veel tuvastatud pole, nimetatakse orbretseptoriteks. Kui teiste uuritud retseptorite tüüpidel seostuvad ligandid membraani välispinnal, siis GPCR-idel toimub sidumine üldiselt transmembraanses osas.

Konformatsiooni muutumine

G-valguga seotud retseptor aktiveeritakse välise signaaliga ligandi või mõne teise signaalikandja vahendusel. See põhjustab retseptori konformatsiooni muutuse, mis omakorda aktiveerib G-valgu. Edasine efekt sõltub G-valgu tüübist.

Signaaliülekanne läbi membraani pole päris selge. On teada, et inaktiivne G-valk on seotud retseptorile passiivses olekus. Kui ligand on seostunud, muutub retseptori konformatsioon ja aktiveerib seega mehaaniliselt G-valgu, mis vabaneb retseptori küljest. Retseptor saab seejärel siduda ja aktiveerida uue G-valgu või minna tagasi inaktiivsesse olekusse. See on küll väga lihtsustatud selgitus, aga annab toimuvast üldise ülevaate.

Usutakse, et retseptori molekulil on konformatsiooniline tasakaaluolek aktiivse ja inaktiivse oleku vahel. Ligandi seostumine võib seega nihutada tasakaalu aktiivse oleku poole. Agonistid nihutavad seega tasakaalu aktiivse oleku poole, pöördagonistid inaktiivse oleku poole ja antagonistid tasakaalu ei mõjuta. Aktiivse ja inaktiivse oleku erinevused pole siiski päris täpselt teada.

G-valgu aktivatsioon/deaktivatsioon

Kui retseptor on passiivses olekus, võib GEF domeen olla seotud inaktiivse G-valgu α-alaühikuga. G-valgud on heterotrimeersed, s.t. need koosnevad kolmest alaühikust (α, β, γ). α-alaühik on aktiivses olekus seotud guanosiintrifosfaadiga (GTP) ja inaktiivses olekus guanosiindifosfaadiga (GDP) (või puudub guaniini nukleotiid). Retseptori aktiveerimisel aktiveerib GEF domeen G-valgu, vahetades GDP GTP vastu. Rakus hoitakse tsütosoolselt GTP:GDP suhet 10:1, mistõttu on GTP seostumine soodustatud. G-valgu aktiveerimisel dissotsieerub G-valk retseptori küljest ning jaguneb kaheks osaks: α-alaühikuks (koos GTP-ga) ning βγ dimeeriks, mis saavad edasi teiste rakusiseste valkude aktiivsust mõjutada. Kuna α-alaühikul on aeglane GTP hüdrolüüsi võime, taastub ajapikku inaktiivne α-alaühik, mis saab taas seostuda βγ-dimeeriga, moodustades taas inaktiivse G-valgu trimeeri. See saab jälle omakorda seostuda retseptorile ja oodata aktiveerimist.

G-valgud

G-valgud ehk guaniininukleotiide siduvad valgud on valdavalt eukarüootsetel organismidel klassifitseeritud valkude perekond, mis tegeleb väljastpoolt rakku tulevate keemiliste signaalide ülekandega raku sisemusse. G-valgud kuuluvad ensüümiklasside nomenklatuuris suuremasse ensüümiklassi hüdrolaasid – GTP-aaside hulka. G-valgud toimivad kui molekulaarsed lülitid. Nende aktiivsust reguleerivad teatud tegurid, mis määravad nende võime siduda ja hüdrolüüsida guanosiintrifosfaati (GTP) guanosiindifosfaadiks (GDP). Kui G-valgud seovad GTP-d, võib öelda, et nad on "sisse lülitatud", ja kui nad seovad GDP-d, siis on nad "välja lülitatud".

G-valgu beeta-gamma kompleks. Beeta alaühik on sinine ja gamma alaühik punane

Guanosiindifosfaat

Guanosiintrifosfaat

G-valgud võib jaotada kaheks: monomeersed väikesed GTP-aasid ja heterotrimeersed G-valgud. Viimane neist koosneb kolmest alaühikust: alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ). Beeta ja gamma alaühikud võivad moodustada püsiva dimeerse kompleksi, mida nimetatakse beeta-gamma kompleksiks.

G-valgud aktiveeruvad G-valguga seotud retseptorite (GPCR) kaudu, mis asuvad raku membraanil ja millele on omane seitsme transmembraanne (7Tm- retseptor) struktuur. Virgatsaine seostub retseptorile ja sellega kaasnev konformatsiooni muutus aktiveerib retseptoriga seotud G-valgu. G-valk omakorda aktiveerib arvukalt signaaliradasid, mille tulemusena tekib muutus raku talitluses.

G-valkudega seotud signaali ülekannet on võimelised ajendama mitmed hormoonid, virgatsained ja teised signaaliülekandega seotud tegurid. G-valgud reguleerivad mitmeid rakus olevaid metaboolseid ensüüme, ioonkanaleid ja transportereid, mis omakorda mõjutavad funktsioone ja protsesse nagu näiteks loote areng, õppimisvõime ja mälu.

Ajalugu

Funktsioon

G-valgud on olulised signaaliülekandes osalevad molekulid rakus. Sellised haigused nagu diabeet, pimedus, allergiad, depressioon, südame-veresoonkonna haigused ja kindlad vähktõve vormid on seotud G-valkudega seotud retseptorite (GPCR) väärtalitlusega signaaliülekandes. Sellest tulenevalt on ligikaudu 40% tänapäeva ravimitest suunatud just GPCR-le.

Inimgenoomi on kodeeritud ligikaudu 950 G-valguga seotud retseptorit, mis detekteerivad footoneid, hormoone, kasvufaktoreid, ravimeid ja muid endogenoosseid ligande. Otstarve on teadmata umbes sajaviiekümnel GPCR-l.

G-valkude signaaliülekande tüübid

G-valgud võib jagada kahte rühma: heterotrimeersed ehk nn suured ja monomeersed ehk nn väiksed G-valgud. Heterotrimeerseid G-valke aktiveerivad GPCR-id ja need koosnevad alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ) alaühikutest. Monomeersed G-valgud (20–25 kDa) kuuluvad väikeste GTP-aaside alla kuuluvasse Ras superperekonda. Monomeerne G-valk on homoloogiline heterotrimeerse G-valgu alfa alaühikuga. Ka monomeersed G-valgud seostuvad GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes.

Heterotrimeersed G-valgud

Heterotrimeerseid G-valke on mitut tüüpi, kuid neil on kõigil sama tööpõhimõte. Kui ligand seostub G-valguga seotud retseptorile, siis kaasneb sellega retseptori konformatsiooni muutus. See aktiveerib heterotrimeerse G-valgu ja GDP vahetub GTP vastu. Seejärel G-valk eraldub retseptorist ja alfa alaühik eraldub beeta-gammakompleksist. Eraldunud alaühikud saavad nüüd aktiveerida järgmisi virgatsaineid signaaliülekanderajal. Spetsiifiline mehhanism on aga erinevatel heterotrimeetsete G-valkude tüüpidel erinev.

Üldine tööpõhimõte

G-valkude aktivatsioon G-valkuga seotud retseptori kaudu

G-valgud on seotud raku membraani sisepinnaga. Need koosnevad G_α ja sellega tihedasti seotud G_βγ alaühikutest. G_α alaühikuid on mitut liiki: G_sα (aktiveeriv G-valk), G_iα (inhibeeriv G-valk), G_oα, G_g/11α ja G_12/13α on vaid mõned näited. Neil on sama aktivatsioonimehhanism, kuid nad reageerivad erinevate ligandide puhul erinevalt.

Aktivatsioon

Ligand, seostudes G-valguga seotud retseptorile, tekitab retseptoris konformatsiooni muutuse. Seetõttu toimib GPCR kui guaniininukleotiidi vahetustegur (inglise k. guanine nucleotide exchange factor, GEF), mis vahetab G_α alaühiku küljes oleva GDP GTP vastu. Traditsionaalse mudeli kohaselt põhjustab see GTP-ga seotud G_α alaühiku eraldumise G_βγ dimeerist ja retseptorist. Ka uusi mudeleid, kus viidatakse molekulaarsele ümberasetusele ja molekulide eel-komplekside moodustumisele on hakatud aktsepteerima. Nii G_α-GTP kui ka G_βγ alaühikud saavad seejärel osaleda signaalikaskaadide ja efektorvalkude aktiveerimisel. Retseptor on samal ajal aga võimeline aktiveerima järgmist G-valku.

Signaali peatamine

G_α alaühik hüdrolüüsib sellega seotud GTP tagasi GDP-ks oma loomupärase ensümaatilise aktiivsuse kaudu. Seega saab G_α alaühik uuesti G_βγ kompleksiga liituda ja uus signaaliülekande tsükkel alata. Grupp valke, mida nimetatakse G-valgu signaaliülekande regulaatoriteks (inglise k. Regulator of G protein signalling, RGS), toimivad kui GTP-aase aktiveerivad valgud (GAP) ning nad on G_α alaühikule spetsiifilised. Need valgud kiirendavad GTP hüdrolüüsi GDP-ks ja seeläbi peatavad signaaliülekande. Mõnel juhul võib efektormolekul ise loomuomast GAP-aktiivsust omada ja seeläbi signaaliülekande peatada. See kehtib näiteks fosfolipaas C beeta korral, mis omab GAP-aktiivsust oma C-otsa läheduses. See on alternatiivne G_α alaühiku reguleerimise viis.

Spetsiifilised mehhanismid

• G_sα stimuleerib cAMP tootmist adenosiintrifosfaadist (ATP), aktiveerides sellega cAMP-st sõltuva signaaliülekande raja. Sellega kaasneb otsene membraaniga seotud ensüümi adenülaaditsüklaas (AC) stimulatsioon. cAMP toimib kui sekundaarne virgatsaine, mis seostub ja aktiveerib proteiinkinaas A (PKA). Seejärel saab PKA fosforüleerida vajalikke molekule signaaliülekande rajal.

GPCR-ga on seotud kaks põhilist signaaliülekanderada, mis sõltuvad kas cAMP-st või fosfatidüülinositoolist.

cAMP-st sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH ehk antidiureeriline hormoon (vasopressiin) – soodustab vee tagasiimendumist neerudes;
• GHRH ehk kasvuhormooni vabastav hormoon (somatoliberiin) – stimuleerib kasvuhormooni (GH) sünteesi ja vabanemist;
• GHIH ehk kasvuhormooni inhibeeriv hormoon – takistab GH sünteesi ja vabanemist;
• CRH ehk kortikotropiini vabastajahormoon – stimuleerib adrenokortikotroopne hormoon ehk (ACTH) (kortikotropiin) sünteesi ja vabanemist;
• ACTH – stimuleerib kortisooli sünteesi ja vabanemist;
• TSH ehk kilpnääret stimuleeriv hormoon (türeotropiin) – stimuleerib suurema osa türoksiini (T4) sünteesi ja vabanemist;
• LH ehk luteiniseeriv hormoon (lutropiin) – toetab emastel ovulatsiooni ja corpus luteumi arengut ning isastel testosterooni tootmist ja spermatogeneesi;
• FSH ehk folliikuleid stimuleeriv hormoon (follitropiin) – stimuleerib emastel folliikuli arengut ja isastel spermatogeneesi;
• Kaltsitoniin – alandab kaltsiumitaset veres;
• Glükagoon – stimuleerib glükogeeni lagundamist glükoosikst;
• HCG ehk inimese kooriongonadotropiin – stimuleerib rakkude diferentseerumist;
• G_iα – inhibeerib cAMPi tootmist ATP-st;
• G_q/11α – stimuleerib rakumembraanil asuvat ensüümi fosfolipaas C beeta, mis lõhustab fosfoinositooli PIP2 kaheks sekundaarseks virgatsaineks, IP3 ja diatsüülglütserool (DAG).

Fosfatidüülinositoolist sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH
• TRH ehk türeotropiini vabastav hormoon – stimuleerib TSH sünteesi ja vabanemist.
• TSH
• Angiotensiin II – stimuleerib aldosterooni sünteesi ja vabanemist.
• GnRH ehk gonadotropiini vabastav hormoon – stimuleerib FSH ja LH sünteesi ja vabanemist.
• G_12/13α on seotud Rho perekonna GTP-aasi signaaliülekandega. See juhib raku tsütoskelett remodelleerumist, seega reguleerides raku liikumist.
• G_βγ kompleksil on samuti aktiivseid funktsioone. Näiteks G-valguga seotud sissepoole korrigeerivate kaaliumikanalite (inglise k. G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channels, GIRK) aktiveerimine ja nendega seostumine.

Väiksesed GTP-aasid

Väikesed GTP-aasid seostuvad samuti GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes. Väikesed G-valgud on heterotrimeerse G-valgu alfa alaühiku homoloogid, kuid nad on monomeersed. Nad on väikesed (20–25 kDa) valgud. See valguperekond on homoloogiline Ras GTP-aasidega ning nad kuuluvad Ras superperekonda GTP-aasid.

Lipiidimine

Plasmamembraani sisemise kihiga seostumiseks on paljud G-valgud ja väikesed GTP-aasid lipideeritud. See tähendab, et neil on kovalentsete sidemetega seotud rasvamolekulid. Nad võivad olla seotud müristoüül-, palmitoüül- või prenüülrühmaga.

Osad guaniininukleotiide siduvad valkude retseptorid võivad käituda onkogeenidena.

Nukleool

Nukleool (inglise nucleolus) ehk tuumake on ülekaalukalt interfaasi (vahefaasi) rakutuumades leiduv tihke moodustis, mille sees komplekteeritakse rRNA-d. Nukleoole võib tuumas olla üks, kaks või enam.

Nukleool koosneb 5 positiivsest kromosoomipaarist (13, 14, 15, 21 ja 22), mis sisaldavad 200 ribosomaalse RNA (rRNA) geeni koopiat.

Kääviniidistik

Kääviniidistik koosneb niitjatest valkudest, mis mängivad olulist rolli raku jagunemisel. See on bipolaarne struktuur, mis koosneb mikrotuubulitest ja nendega seotud valkudest. Kääviniidid tekivad mitoosi profaasis ning võtavad osa kromosoomide (täpsemalt kromatiidide) jaotamises tütarrakkude vahel.

Pilt mitoosi metafaasist mikroskoobi all. Käävniidid (rohelised) on valmis tõmbama tütarkromatiidid (sinised) vastaspooltele.

Ülesanne

Kääviniitide ülesanne on tütarkromatiidid raku vastaspooltele tõmmata, et geneetiline informatsioon saaks uuele rakule pooldumisel edasi kanduda. Raku pooldumisel liiguvad kaks algselt tuuma läheduses olevat tsentrosoomi raku vastaspooltele. Kahe tsentrosoomi ja nendevaheliste tsentromeeride vahele tekivad kääviniidid, mis mitoosi anafaasis tõmbavad tütarkromatiidid vastaspooltele. Mitoosi lõppfaasis ehk telofaasis kaovad kääviniidid, tütarkromatiidid on raku vastaspooltele tõmmatud ning rakk saab lõplikult poolduda.

Tsentriool

Tsentriool on loomaraku silindrikujuline organell, mis koosneb üheksast mikrotuubuli filamendist moodustunud kolmikust.

Tsentrioolid on assotsieerunud rakutuuma rakumembraaniga. Loomarakus on reeglina kaks omavahel risti asetsevat tsentriooli, mis moodustavad tsentrosoomi – raku organelli, mis koordineerib mikrotuubulite tsütoskeletti. Tsentrioolid uuenevad rakus duplitseerumise teel; see toimub siis, kui algab DNA replikatsioon.

Tsentrioolid täidavad rakus kolme põhilist funktsiooni:

1. Tsentrosoomi koosseisus on nad mikrotuubulite organisatsiooni keskuseks.
2. Viburite või ripsmetega varustatud rakkudes on nad basaalkehaks, kust need struktuurid välja kasvavad.
3. Rakujagunemisel koordineerivad tsentrioolid kääviniidistiku moodustumist ja funktsiooni.

Tsentrosoom

Tsentrosoom on rakuorganell, mis etendab olulist osa mikrotuubulitest koosneva tsütoskeleti organiseerimisel ning rakutsükli reguleerimisel.

Raku anatoomia
1. Tuumake
2. Tuum
3. Ribosoom
4. Vesiikul
5. Karedapinnaline tsütoplasmavõrgustik
6. Golgi kompleks
7. Tsütoskelett
8. Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik
9. Mitokonder
10. Vakuool
11. Tsütoplasma
12. Lüsosoom
13. Tsentrosoom

Tsentrosoomi avastas 1883. aastal Belgia bioloog Édouard van Beneden. Theodor Boveri kirjeldas tsentrosoomi esimesena täpsemalt ning andis sellele ka nime.

Tsentrosoom on ainult loomarakkudel. Seenerakkudel ja taimerakkudel see puudub.

Tsentrosoom koosneb kahest põiki paiknevast tsentrioolist ning seda ümbritsevad valgud, mis moodustavad peritsentriolaarse materjali (PTM). PTM sisaldab valke, mis vallandavad mikrotuubulite fiibrite süntees ning võimaldavad mikrotuubulite kinnitumist. Nende valkude hulka kuuluvad γ-tubuliin, peritsentriin ja nineiin. Tsentrosoomi kuuluvad tsentrioolid koosnevad üheksast mikrotuubulite kolmikust, mis moodustavad silindrilise struktuuri.

Rakutsükli interfaasis on tsentrosoomid kinnitunud tuuma membraanile. Mitoosis tuuma membraan laguneb ning tsentrosoomist alguse saanud mikrotuubulid interakteeruvad kromosoomidega, moodustades kääviniidid, mis kromosoomid üksteisest eemaldavad. Tsentrosoom paljuneb ainult korra rakutsüklis, kusjuures iga tütarrakk saab ühe vanemaraku tsentriooli. Tsentrosoom replitseerub rakutsükli S-faasis.

Kromosoomistik

Kromosoomistik ehk karüotüüp on kromosoomide kogum indiviidi keha- või generatiivse raku tuumas.

Naise kromosoomistik (Y-kromosoom puudub).

Õpetust kromosoomistikust nimetatakse karüoloogiaks.

Kromosoomistik võib sisaldada erineva arvu liigiomaseid kromosoomikomplekte – näiteks ühekordne (haploidsus), kahekordne (diploidsus) või rohkemakordne (polüploidsus)^[.

Inimese kromosoomistik sisaldab 46 kromosoomi: naistel 44+XX ja meestel 44+XY. Inimahvidel on 48 kromosoomi.

Karüogrammis (kromosoomistiku pilt) on kromosoomid korrastatud kujul (kromosoomid on paarides ja ritta seatud suuruse järgi). Kromosoomistiku värvimise põhjal eristatakse klassikalist karüogrammi ja spektraalset karüogrammi (SKY tehnika).

Ajalugu

Kromosoomid avastas šveitsi botaanik Karl Wilhelm von Nägeli 1842 taimerakkudes. Loomadel, täpsemalt salamandril kirjeldas kromosoome esimest korda mitoosi avastaja, saksa bioloog Walther Flemming 1882. Termini "kromosoom" leiutas saksa anatoom Heinrich Wilhelm Waldeyer 1888. 20. sajandi alguses võeti omaks, et kromosoomid on geenide kandjad.

Organism

Organism (pärineb kr. k. ὀργανισμός – organismos, mis tuleneb sõnast ὄργανον – organon, "tööriist") ehk elusolend ehk elusorganism on elav terviklik rakuline süsteem. Rakkude arvu järgi jaotatakse organisme üherakulisteks ja hulkrakseteks. Organismid jagunevad taksonoomiliselt prokarüootideks ja eukarüootideks. Prokarüoodid liigitatakse omakorda bakteriteks ja arhebakteriteks ehk arhedeks. Eukarüoodid jagunevad protistideks, seenteks, taimedeks ja loomadeks.

Organismi struktuur ja elu organiseerituse tasemed

 Organismide ehituse algüksus on rakk. Kõik organismid koosnevad rakkudest. Raku arvu järgi eristatakse üherakulisi (1 rakk) ja hulkrakseid (2 rakku või rohkem) organisme. Alamad hulkraksed koosnevad väheeristunud rakkudest, kõrgematel organismidel eristuvad rakud kudedeks. Organismide funktsionaalse struktuuri moodustuvad üherakulistel organismidel organellid, hulkraksetel aga elundid ehk organid. Funktsionaalselt seotud elundid moodustavad elundkonna. Organismid rühmitatakse populatsioonideks ja kooslusteks.

Organismide atribuudid

Organismide peamiste omaduste ehk atribuutide (mida Aristoteles on nimetanud entelehhiateks) hulka kuuluvad

• liikuvus,
• toitumine,
• hingamine,
• paljunemine,
• ärrituvus ja erutuvus.

Organismide üldisteks talitluslikeks omadusteks on ka

• metabolism ehk ainevahetus, mis jaotub anabolismiks ja katabolismiks;
• individuaalne areng ehk ontogenees;
• evolutsiooniline areng ehk fülogenees.

Organismide klassifitseerimine

Organismide tunnuste (atribuutide) uurimine, analüüsimine ja kirjeldamine kuulub süstemaatika (taksonoomia) valdkonda.

1. teaduslik klassifikatsioon
2. ladinakeelne nomenklatuur (ladinakeelsed täisnimetused)
3. liigid
4. alamliigid

Organismide eluiga

Organismide eluiga on riigiti ja liigiti väga erinev. Mõned loomad elavad ainult 1 päeva, mitokondrid 2 nädalat, kuid mõned taimed võivad elada tuhandeid aastaid.

Organismides sisalduvad keemilised ühendid

Organismides on kõige enam anorgaanilisi aineid, sest põhiosa, umbes 80% rakkudest moodustab vesi. Enamiku organismide veesisaldus jääb vahemikku 70–95%.

Keemiliste ühendite keskmine sisaldus rakkudes:

Anorgaanilised ained%	Orgaanilised ained%
Vesi 80%	Valgud 14%
Muudd anorgaanilised ühendid (soolad) 1,5%	lipiidid 2%
	Sahhariidid 1%
	Nukleiinhapped: RNA 0,7% ja DNA 0,4%
	Madalmolekulaarsed orgaanilised ühendid 0,4%

Orgaanilistest ainetest on kõige rohkem rakkudes valke. ilmselt on peamine põhjus selles, et neil on rakus täita palju ülesandeid, neil on palju funktsioone. Valkude kõrval on enim esindatud lipiidid (rasvad, õlid ja vahad) ja sahhariidid (glükoos, tärklis, tselluloos). Need ühendid kuuluvad eri rakustruktuuride koostisse ja on organismi põhilised energiaallikad. Ehkki nukleiinhapete sisaldus on suhteliselt väike, on need vajalikud kõikidele rakkudele. DNA on pärilikkuse kandja. Seetõttu peetakse selle esinemist üheks elu tunnuseks. RNA molekulidel on oluline roll päriliku informatsiooni avaldumises.

Pungumine

Pungumine on organismide vegetatiivne sigimisviis, kus uus organism (järglane) saab alguse vanemorganismi keha väljasopistusest. Selle tagajärjel võib uus organism jääda kas vanemorganismi külge (moodustuvad kolooniad) või eraldub sellest, alustades iseseisvat elu.

Pungumist esineb nii üherakulistel kui ka hulkraksetel organismidel. Ainuraksetest sigivad nõnda näiteks pärmseened, hulkraksetest aga ainuõõssed, sammalloomad jt.

Partenogenees

Partenogenees ehk neitsistsigimine on mitmetel taime- ja loomarühmadel esinev aseksuaalne paljunemisviis, mille puhul embrüod kasvavad elujõuliseks ilma viljastamata. Loomade puhul tähendab partenogenees embrüo arenemist viljastamata munarakust ning taimede puhul tähendab see apomiksist.

Partenogenees esineb paljudel taimedel, kuid ka selgrootutel (ümarussidel, lehetäilistel, mõnda liiki mesilastel, kojuselistel), mõningatel selgroogsetel (teatud kaladel, kahepaiksetel, harva lindudel) ning ühel munaseene liigil.

Tüübid ja mehhanismid

Liigiti võib partenogenees olla kas obligatoorne, ehk liik ei saa suguliselt paljuneda, või fakultatiivne. Fakultatiivse partenogeneesi puhul võib liik vaheldumisi paljuneda nii suguliselt kui ka mittesuguliselt sõltuvalt keskkonnatingimustest, aastaajast ja isaste isendite puudusest. Aseksuaalse paljunemise puhul saab genotüüpi levitada kiiresti, ilma sugulise paljunemise ja sünnitusvõimeta isase järglase hinda maksmata. Samuti puudub vanema genotüübi kloonimisega soovitavavast genotüübist kõrvalekallete tekkimise oht. Reproduktiivse kloonimise ebasoodsad küljed on kahjulike mutatsioonide akumuleerimine ja järglaste geneetiline ühetaolisus, mille tõttu kloonivate liikide eluiga geoloogilises ajas on lühem ning nad ei suuda evolutsioneeruda vastavalt vajadusele ^[5]. Uniseksuaalse paljunemise võimalused selgroogsete seas on hübridogenees, günogenees ja partenogenees, kuid vaid viimane võimaldab paljunemist ilma isase gameedita.

 Selgroogsetel pole haploidsed järglased elujõulised ning seega on partenogeneesis välja kujunenud erinevad viisid, kuidas taastada diploidsust ilma kromosoomide arvu vähendamata.

Apomiksis

Kuna meioosi ei toimu, saadakse ootsüüt ehk munarakk mitoosi teel, mistõttu järglane on geneetiliselt identne emaga ning tal pole toimunud ei segregatsiooni ega rekombinatsiooni. Apomiksise teel paljunevad näiteks teatud ämblikud Poecilotheria formosa.

Meioosieelne kromosoomide kahekordistamine

Selles mehhanismis kahekordistatakse genoom enne meioosi, segregatsioon ja rekombinatsioon toimuvad, kuid kuna need toimuvad kahe homoloogilise kromosoomi vahel, on järglane identne vanemaga. Seda mehhanismi kasutavad mõned salamandrid Ambystoma perekonnast.

Automiksis

Automiksises taastatakse diploidsus pärast meioosi duplikatsiooni teel või meioosi produktide fuseerimisega ning järglased ei ole identsed, sest rekombinatsioon ja segregatsioon leiab aset mittehomoloogiliste kromosoomide vahel. Automiksises eristatakse kahte meioosi produktide fusiooni: tsentraalset ja terminaalset. Tsentraalne fusioon toimub esimene polaarkeha ja munaraku vahel ning järglastel on peaaegu kõik alleelid samad mis emal. Terminaalses fusioonis fuseerub teine polaarkeha munaraku tuumaga, mille tagajärjel homosügootsetel järglastel on vaid pooled ema alleelidest. Automiksise teel ploidsuse taastamist kasutavad näiteks fakultatiivses partenogeneesis kalkunid ja sisalikud. Osad teadlased liigitavad automiksise sugulise paljunemise alla, sest see mehhanism sisaldab rekombinatsiooni, kuid enamik siiski klassifitseerib endomitootilist paljunemist kui aseksuaalset paljunemist.

Molekulaarsed mehhanismid

Molekulaarset mehhanismi, mis põhjustab partenogeenset paljunemist, on õpitud küüniskonnade ja hiirte peal ning uuringutest selgus, et mos-valk, mis on mitogeen-aktiveeritud valgu kinaasi aktivaator (MAPK), on munaraku valmimise ajal aktiivne ning tähtis komponent ootsüüdi arengu jooksul. Mos-valk põhjustab munaraku arengu peatumise metafaas II-s ning hiire munarakul, millel puudus mos-valk, hakkas tööle hoopis partenogeenne areng, kuid imetajal polnud järglane elujõuline. Imetajatel takistab partenogeneesi veel genoomiline imprinting.

Fakultatiivne partenogenees

Fakultatiivset partenogeneesi esineb kõigi selgroogsete rühmades, kuid vaid neil vabalt looduses mitteelavatel isenditel, kes on isastest isenditest väga kaua eemal hoitud. Vabas looduses on fakultatiivse partenogeneesi esinemine selgroogsetel väga harv nähtus. Roomajatel ning lindudel esineb partenogeneesi tihedamini kui teistel selgroogsetel. Üks tuntumaid näiteid fakultatiivsest partenogeneesist on päevaliblikad, kellel see tavaline paljunemisviis. Ka spontaanse või juhusliku partenogeesi juhtumeid nimetatakse tihti fakultatiivseks partenogeneesiks, näiteks haide ja Komodo varaani puhul, mis on hoopis juhusliku partenogeneesi juhtumid, kuna munetud munade kohta koorus neist järglasi väga vähe. Kui oleks tegu olnud tõelise fakultatiivse partenogeneesiga, oleks enamikust munadest koorunud elujõulised järglased. Selliseid juhtumeid võivad põhjustada meiootilised vead, mistõttu munad saadakse automiksise teel.

Soo määramine

ZW-soomääramissüsteemis automiksise terminaalse fusiooni tulemusena saavad partenogeneesselt paljunevad heterogameetsed emased, kelle sugukromosoomideks on ZW, saada homogameetseid (ZZ) isaseid järglasi. Terminaalse fusiooni kaudu saab nii ZZ- kui ka WW-sugukromosoomidega järglasi ning isased võivad olla paljunemisvõimelised, kuid WW-gonosoomiga järglased pole elujõulised. Seetõttu saavad isaste puuduse tõttu fakultatiivsele partenogeneesile lülitunud emased toota juurde isaseid ning juba ühe generatsiooni jooksul lülituda tagasi sugulisele paljunemisele. X0-soomääramissüsteemis, kus XX-sugukromosoomidega isend on hermafrodiit või emane ja X0-sugukromosoomidega isend on isane, saadakse apomiktilise partenogeneesi tulemusel peamiselt ema kloone, kes on seega samuti emased. Lehetäide puhul saadakse nii emaseid kui ka isaseid, kuid isastel puudub üks X-sugukromosoom. XY-soomääramissüsteemis, kus homogameetsed XX-isendid on emased ja XY-isendid isased, sünnivad apomiksise korral vaid vanemale geneetiliselt identsed emased. Automiksise terminaalse ja tsentraalse fusiooni korral sünnivaid ikka vaid emased isendid, kes pole oma ema kloonid. Polüploidse obligatoorse partenogeneesi kaudu saadakse vaid emaseid järglasi. Paljudel kiletiivalistel, näiteks meemesilastel, saadakse sugulise paljunemise kaudu emased järglased, kasutades isaste ‘’leskede’’ seemnerakku, kes omakorda on saadud viljastamata munarakust. Seega on emased, kelleks on kuninganna ja töölised alati dipolidsed ning isased lesed on saadud partenogeneesi teel.

Looduses esinemine liigiti

Partenogenees esineb looduslikult lehetäidel, vesikirpudel, keriloomadel, ümarussidel ja mõnedel teistel selgrootutel ning ka taimedel. Selgroogsetel leidub ranget partenogeneesi vaid sisalikel, madudel. lindudel ja haidel samas kui kaladel, kahepaiksetel ja roomajatel esinevad erinevad vormid günogeneesist ja hübridogeneesist, mis on mittetäielikud partenogeneesi vormid. Spontaanse partenogeneesi teel paljunejad on Komodo varaanid, vasarhaid ja hallhaid.