BIOKEEMIA 3: AINE- JA ENERGIAVAHETUSE JA BIOREGULATSIOONI ÜLDPÕHIMÕTTED BIOREGULATSIOON: ENSÜÜMID, VITAMIINID KUI KOENSÜÜMID, HORMOONID RETSEPTORID

Transcript

1 BIOKEEMIA 3: AINE- JA ENERGIAVAHETUSE JA BIOREGULATSIOONI ÜLDPÕHIMÕTTED BIOREGULATSIOON: ENSÜÜMID, VITAMIINID KUI KOENSÜÜMID, HORMOONID RETSEPTORID BIOMEMBRAANID AINETE TRANSPORT RAKUS

2 AINE- JA ENERGIAVAHETUSE ÜLDPÕHIMÕTE Ainevahetus e. metabolism: Organismis asetleidev sünteesi- ja lõhustumisprotsesside kogusus, mis tagab organismi aine- ja energiavahetuse übritseva keskkonnga ning on organismi elutegevuse aluseks Kr. k. metabole = muutus Metabolism on anabolismi ja katabolismi integratsioon: Anabolism: Sünteesiprotsesside kogusus Katabolism: Lõhustumisprotsesside kogusus Organismi metabolism hõlmab seedimist, imendumist, rakus toimuvaid metaboolseid radu ja lõpp-produktide eritumist Rakusisene metabolism toimub metaboolsete radadena, milles ensüümide toimel muunduvad ja tekivad metaboliidid

3 METABOLISMI PÕHIFUNKTSIOONID INIMORGANISMIS Energia omastamine väliskeskkonnast toitainete vormis: Organism vajab süsiniku ja elektronide allikana väliskeskkonna orgaanilise ühendeid (näit. glükoos) Energia saamine redoksreaktsioonidest Toitainete omastamine ja kasutamine biomolekulide sünteesiks: Katabolism konverteerib toitainete energia organismis kasutatavasse energiavormi (peamiset ATP-s), mida anabolism kasutab biomolekulide sünteesiks Vananevate biomolekulide lammutamine Lõpp-produktide väljutamine

4 METABOOLSED RAJAD Metabolismi moodustavad metaboolsed rajad (metabolic pathway): Reaktsioonide jada, milles ensüümide toimel muunduvad ja tekivad metaboliidid (biomolekulid): Näit. glükolüüs on üksikreaktsioonide jada, mille käigus organism lõhustab glükoosi ning konverteerib glükoosis oleva energia endale sobivasse vormi (ATP, NADPH) Põhirajad: Erinevates organismides ja kudedes praktiliselt ühesugused Spetsiifilised rajad: Täidavad organismides, elundites, kudedes spetsiifilise funktsioone

5 KATABOLISMI JA ANABOLISMI STAADIUMID Katabolismi staadiumid: Makrotoitainete (süsivesikud, valgud, lipiidid) ja vananevate biomolekulide lõhustumine monomeerideks, ehitusüksusteks Monomeeride muundamine metabolismi võtmeühenditeks, näit.: Monooside, glütserooli ja mõnede aminohapete katabolism annab püruvaadi Püruvaat ning osa aminohappeid ja rasvhappeid kataboliseeruvad atsetüül-koensüüm A-ks (atsetüül-coa) Osa aminohappeid konverteeruvad Krebsi tsükli komponentideks Atsetüül-CoA ja Krebsi tsükli komponentide oksüdatiivne lõhustamine lihtsateks lõpp-produktideks (H 2 O, CO 2 ), mille käigus toimub lammutatava substraadi energia konverteerumine ATP vormi (energia) Anabolismi staadiumid: Eelühendite süntees katabolismi viimase staadiumis tekkivatest vaheühenditest Eelühenditest sünteesitakse biomolekulide ehitusüksused (aminohapped, rasvhapped, nukleotiidid, jne.) Ehitusüksustest sünteesitakse valgud, nukleiinhapped, jne.

6 KATABOLISMI STAADIUMID

7 METABOLISMI INTEGREERITUS JA REGULATSIOON Metabolism on peenreguleeritud biomolekulide lammutamine ja biosüntees tagamaks organismi elutegevuseks vajalikke sisetingimusi (homeostaasi) Metabolismi integreeritus: Eksisteerivad radadevahelised sõlmpunktid ja üleminekud, mis lubab alternatiivseid kulgemisvõimalusi Ülikõrge koordineeritus: Energiat andvad kataboolsed protsessid ja energiat vajavad anaboolsed protsessid eksisteerivad üheskoos: Vajalikke biomolekule saadakse nii lõhustumise kui biosünteesi teel Metabolismi regulatsioon: Regulatsiooni terviklikkus tagatakse rakkudevahelise ja rakusisese kommunikatsiooni vahendusel: Rakusisese regulatsiooni üks põhiprintsiipe on vastavate valkude/ensüümide aktivatsioon ja inhibitsioon

8 REAKTSIOONI SUUND JA VÕIMALIKKUS Biokeemilise reaktsiooni suuna ja võimalikkuse määrab vaba energia muut: Negatiivse vaba energia muutusega reaktsioon kulgeb spontaanselt, näit. kataboolsed protsessid) Positiivse vaba energia muutusega reraktsioon ei kulge spontaalselt Vaba energia muut ei sõltu reaktsiooni mehhanismist, vaid lähteainete ja produkti vabaenergia erinevusest Lisaenergia vajadus Produkt + G Vaba energia Substraat G = 0 Tasakaal Spontaanne Produkt Produkt - G Reaktsiooni kulg

9 REAKTSIOONI AKTIVATSIOONIENERGIA Aktivatsioonienergia on energia, mida osakesed peavad saavutama, et muutuda reaktsioonivõimelisteks Mida väiksem on aktivatsioonienergia, seda kiiremini toimub reaktsioon G a Vaba energia Substraat Reaktsiooni G Produkt Reaktsiooni kulg

10 ENSÜÜMID ALANDAVAD REAKTSIOONI AKTIVATSIOONIENERGIAT Tänu reaktsiooni madalamale aktivatsioonienergiale suureneb ensüüm-katalüüsitud reaktsiooni kiirus vähemalt miljon korda Peaaegu kõik avastatud ensüümid on valgud või valgud koos kofaktoritega Mittekatalüüsitud G a Katalüüsitud Vaba energia Substraat G a Reaktsiooni G Produkt Reaktsiooni kulg

11 ENSÜÜMIDE TOIMEMEHHANISMIDE SISU Ensüümide poolt katalüüsitud reaktsioonide aktivatsioonienergiate alandamine saavutatakse ensüümi ja substraadi (ES) kompleksi moodustamise abil: E + S ES E + P ES kompleksi tekkes osalevad vesiniksidemed, hüdrofoobsed ja elektrostatailised vastaktoimed ES kompleksi teke on reeglina pöörduv

12 ENSÜÜMIDE AKTIIVTSENTRID Ensüümi aktiivtsenter on ensüümi pinnaala, mis seob substraadi (ja kofaktori selle olemasolul): Aktiivtsentris asuvad aminohappejäägid, mis loovad substraadiga nõrku sidemeid (vesiniksidemed, hüdrofoobsed ja elektrostaatilised vastaktoimed), harva esinevad kovalentsed või kooperatiivsed sidemed Neid aminohappejääke kutsutakse katalüütilisteks rühmadeks Aktiivtsentril on kaks põhilist rolli: Siduv roll: Seob endaga substraadi Katalüütiline roll: Muudab substraadi produktiks Kui substraat on muundatud produktiks, eemaldub see ensüümi aktiivtsentrist, sest kaob ensüümi ja tekkinud produkti komplementaarsus

13 AKTIIVTSENTRI JA SUBSTRAADI KOMPLEMENTAARSUS Ensüümi ja substraadi sidumise spetsiifilisus saavutatakse sidemeid moodustavate aatomite täpse asetusega aktiivtsentris:

14 RIBONUKLEAASI AKTIIVTSENTER Substraadi uratsüül HC R N C O... H N HC C O. H N H... H O C β C α Ensüümi treoniini kõrvalahel O CH 2 Ensüümi seriini kõrvalahel

15 AKTIIVTSENTRI JA SUBSTRAADI INDUTSEERITUD SOBIVUS Paljude ensüümide aktiivtsentri sidumise käigus muudetakse aktiivtsenter substraadile täpselt sobivaks (induced-fit model): Aktiivtsenter ja substraat on komplementaarsed pärast sidumist

16 ENSÜÜMREAKTSIOONI KIIRUS Ensüümreaktsiooni kiirus sõltub: Ensüümi ja substraadi kontsentratsioonist Keskkonna temperatuurist Keskkonna ph-st Kofaktori olemasolust ja kontsentratsioonist Aktivaatori ja inhibiitori olemasolust ja kontsentratsioonist Keskkonna ioontugevusest

17 ENSÜÜMREAKTSIOONI KIIRUSE SÕLTUVUS ENSÜÜMI KONTSENTRATSIOONIST Reaktsioonikiirus sõltub ensüümi kontsentratsioonist lineaarselt, kui substraadi kontsentratsioon on küllastav ja teised tingimused on konstantsed ja optimaalsed Organismis esinev ensüümi vähesus pärsib katalüüsitava reaktsiooni kiirust ja võib viia muundatava substraadi kuhjumiseni, mis avaldub metabolismihäirena v V = k [E] v = reaktsioonikiirus k = kiiruskonstant [E]

18 ENSÜÜMREAKTSIOONI KIIRUSE SÕLTUVUS SUBSTRAADI KONTSENTRATSIOONIST Konstantse ensüümi kontsentratsiooni juures sõltub ensüümreaktsiooni kiirus substraadi kontsentratsioonist hüperboolselt Enamus ensüüme allub Michaelis-Menteni kineetikale: v = V max [S] / K m + [S] v V max ½ V max K m = Michaelis konstant: Substraadi kontsentratsioon, mille juures reaktsioonikkirus on pool maksimaalkiirusest K m [S]

19 ENSÜÜMREAKTSIOONI KIIRUSE SÕLTUVUS TEMPERATUURIST Temperatuuri, mille juurs ensüümreaktsiooni kiirus on maksimaalne, nimetatakse temperatuurioptimumiks Imetajate puhul on ensüümide temperatuurioptimumid vahemikus ºC: Optimumist madalamal temperatuuris langeb reaktsioonikiirus ensüümi ja substraadi vastaktoimete nõrgenemise/vähenemise tõttu Optimumist kõrgematel struktuuridel toimub ensüümvalkude denaturatsioon (kõrgemat järku struktuuritasemete lagunemine)

20 ENSÜÜMREAKTSIOONI KIIRUSE SÕLTUVUS ph-st Inimorganismi ensüümreaktsioone iseloomustab kellukesekujuline sõltuvus ph-st: ph optimum on vahemikus 6 8 Ensüümreaktsioonide kiirus on maksimaalne suhteliselt kitsas ph vahemikus v ph

21 ENSÜÜMIDE AKTIIVSUSE REGULATSIOON Ensüümid on reguleeritava aktiivsusega katalüsaatorid: Aktivaatorid tõstavad ensüümreaktsiooni kiirust Inhibiitorid pidurdavad ensüümreaktsiooni osaliselt või täielikult Ensüümide inhibitsioon on bioloogiliste süsteemide metabolismi oluline regulatsiooni mehhanism Paljude ravimite toime seisneb vastava ensüümi inhibeerimises Ensüümide inhibitsioon võib olla pöördumatu või pöörduv Pöördumatu inhibitsiooni puhul seostub inhibiitor ensüümi aktiivtsentrisse või mujale väga tugevalt (kas kovalentselt või mittekovalentselt) ning inhibiitori disassotsiatsioon ensüümilt on väga aeglane

22 SERIINI HÜDROKSÜÜLRÜHMAGA PÖÖRDUMATU SEOSTUMINE INHIBIITORIGA Mõned fosfoorgaanilised ühendid seostuvad pöördumaltult seriini hüdroksüülrühmaga ja inhibeerivad pöördumatult ensüüme, mille aktiivtsentris on seriin, näit.: Närvigaas diisopropüülfosfofluoridaat (DIPF) reageerib pöördumult atsetüülkoliinesteraasi aktiivtsentri seriini jäägiga: H H H 3 C C CH 3 H 3 C C CH 3 O O Ensüüm CH 2 OH + F P O Ensüüm CH 2 O P O + HF O O H 3 C C CH 3 H 3 C C CH 3 H H DIPF

23 PENITSILLIIN INHIBEERIB PÖÖRDUMATULT BAKTERITE SEINTE MOODUSTAMISE ENSÜÜMI Penitsilliin seostub glükopeptiidi transpeptidaasi aktiivtsentris asuva seriini hüdroksüülrühmaga, takistades bakterite seinte moodustamist ning blokeerides bakterite kasvu R C O R C O Glükopeptiid transpeptidaas + HN H C H C S C CH 3 H HN C H C S C CH 3 C O N C H CH 3 COO O C O N C H CH 3 COO Penitsilliin Ser Glükopeptiid transpeptidaas

24 PÖÖRDUVA INHIBITSIOONI VARIANDID Ensüüm-substraadi kompleks Konkurentne inhibitsioon (compeptitive inhibition): Inhibiitor konkureerib substraadiga ensüümi aktiivtsentrisse seostumisel Substraadi kontsentratsiooni tõus tõrjub aktiivtsentris seostunud inhibiitori välja Mittekonkurentne inhibitsioon (noncompetitive inhibition): Inhibiitor seostub ensüümimolekuliga väljaspool aktiivtsentrit Substraadi kontsentratsiooni tõstmine ei tõrju inhibiitorit aktiivtsentrist välja

25 KONKURENTSE JA MITTEKONKURENTSE INHIBIITORI KINEETILISED ERINEVUSED Konkurentne inhibiitor ei muuda reaktsiooni maksimaalkiirust, kuid mõjutab K m väärtust: Poole maksimaalkiiruse saavutamiseks on vaja kõrgemat substraadi kontsentratsiooni Mittekonkurentne inhibiitor vähendab maksimaalkiirust, kuid ei muuda K m väärtust: Toimib aktiivtsentri väliselt v V max Konkurentne inhibiitor ½ V max Mittekonkurentne inhibiitor K m K m [S] K m

26 ENSÜÜMIDE ALLOSTEERILINE REGULATSIOON Paljud metabolismi võtmeensüümid omavad peale aktiivtsentri ka allosteerilist ehk regulatoorset tsentrit: Allosteeriline tsenter on ensüümmolekuli pinnaosa, millega seostub regulaator Regulaatoriteks on ioonid ja madalmolekulaarsed ühendid Paljud ravimid on allosteerilised efektorid Allosteeriline inhibitsioon on pöörduv

27 ALLOSTEERILISE REGULATSIOONI MUDEL Allosteeriliste efektorite seostumine ensüümiga muudab ensüümi konformatsiooni: Muutub aktiivtsentri ruumiline ehitus: Allosteerilise aktivatsiooni puhul muutuvad substraadi sidumine ja katalüüs efektiivsemateks Allosteerilise inhibitsiooni puhul väheneb aktiivtsentri affinsus substraadile Substraat Aktiivtsenter S Ensüüm A I Allosteeriline aktivaator Allosteerilised tsentrid Allosteeriline inhibiitor

28 ALLOSTEERILISE REGULATSIOONI KINEETIKA Allosteerilise regulatsiooni korral ensüüm ei allu Michaelis-Menten kineetikale: Reaktsioonikiiruse ja substraadi kontsentratsiooni vaheline sõltuvus on sigmoidaalne (S-kujuline): v Allosteeriline aktivaator V max Allosteeriline inhibiitor [S]

29 ALLOSTEERILINE REGULATSIOON METABOOLSETE RADADE TASEMEL Metaboolne rada on üksikreaktsioonide jada, milles lähtesubstraat muundub lõpp-produktiks Kogu raja kiiruse seisukohalt on tavaliselt üks ensüüm võtmeensüümiks, mille efektiivsus otsustab kogu raja töökiiruse: Võtmeensüüm on tavaliselt allosteeriline ensüüm, mille allosteriliseks aktivaatoriks on lähtesubstraat ja allosteeriliseks inhibiitoriks on lõpp-produkt + Lähtesubstraat E1 E2 E3 E4 A B C Lõpp-produkt

30 ENSÜÜMIDE NOMENKLATUUR Ensüümi nimetus tuleneb tema poolt lõhustatava substraadi nimetusest Ensüümile viitab substraadi nimetuse lõpp aas Peale substraadi nimetuse märgitakse ensüümi nimetuses tavaliselt ära katalüüsitava reaktsiooni nimetus/tüüp, näit.: Laktaadi dehüdrogenaas tähistab seda, et substraadiks on laktaat ja toimub selle dehüdrogeenimine Multiensüümkomplekside puhul kasutatakse lisandit kompleks, näit. Püruvaadi dehüdrogenaasne kompleks Tihti kasutatakse ka ajaloolisi nimetusi, näit.: Trüpsiin, pepsiin, jt.

31 ENSÜÜMIDE KLASSIFIKATSIOON BIOKEEMILISTE REAKTSIOONIDE SEISUKOHALT Süstemaatiline nimetus Oksüdoreduktaasid Transferaasid Hüdrolaasid Lüaasid Isomeraasid Ligaasid Katalüüsitavad reaktsioonid Redoksreaktsioonid Funktsionaalste gruppide ülekanne Hüdrolüüsireaktsioonid (sidemete C O, C N, C P, C S hüdrolüüs vee liitmisega) Sidemete C C, C O, C N, C S lõhustumine (kaksiksidemete teke või liitumine kaksiksidemele) Isomeristatsioonireaktsioonid (funktsionaalsete) rühmade molekulisisene ülekanne isomeeride tekkega) Sünteesireaktsioonid

32 LIHTENSÜÜMID JA LIITENSÜÜMID Lihtensüümid koosnevad aminohappejääkidest Liitensüümid koosnevad valkosast (apoensüüm) ja mitte-valkosast (kofaktor) Eraldi võetuna pole apoensüüm ja kofaktor biokatalüsaatorid, vaid nende kompleks töötab funktsionaalse ensüümina: Valkosa määrab ensüümi toime spetsiifilisuse Kofaktor stabiliseerib ensüümvalku, osaleb substraadi sidumises ning katalüüsiprotsessis Kofaktoriks võivad olla: Ioonid (kloor, vask, magneesium, kaalium, raud, jt.) Anorgaanilised ühendid (HCl) Madalmolekulaarsed orgaanilised ühendid (nt. koensüümid)

33 KOENSÜÜMID Koensüümid on madalmolekulaarsed orgaanilised ühendid, mis on tavaliselt liitensüümis valkosaga mittekovalentselt seotud Paljud koensüümid on vitamiinid: Vitamiini toime realiseerub enamasti ja olulisel määral koensüümsuse kaudu Liitensüümi valkosa määrab ensüümi spetsiifilisuse (millise subtraadi muundumist antub ensüüm katalüüsib) Liitensüümi koensüümosa osaleb efektiivse ensüümkatalüüsi tagamises Mitmed ravimid on vitamiinide koensüümvormid

34 KOENSÜÜMIDE KLASSIFIKATSIOON Vesinikuaatomite ülekandjad: Osalevad koensüümina ensüümides, mis dehüdrogeenivad biomolekule (võtavad neilt vesinikuaatomeid) Rühmade ja radikaalide ülekandjad: Atsüüljääkide ülekandjad Aminorühma ülekandjad Ühesüsinikuliste üksuste ülekandjad Metüüljääkide ülekandjad Aktiivse CO 2 ülekandja

35 VITAMIINID Vitamiinid on bioaktiivsed madalmolekulaarsed orgaanilised toitained, mis esinevad reeglina liitensüümide osadena Inimorganism vajab vitamiine väikestes kogustes Inimese keharakkudes vitamiine enamasti ei sünteesita Enamik vitamiine saadakse toiduga Vitamiinid jagunevad rasvlahustuvateks ja vesilahustuvateks Tänapäeval tuntakse üle 20 vitamiini

36 VITAMIINIDE KLASSIFIKATSIOON Vesilahustuvad vitamiinid: B 1 tiamiin B 2 riboflaviin B 3, PP niatsiin, nikotiinhape, nikotiinamiid B 4 koliin B 5 pantoteenhape B 6 püridoksiin C askorbiinhape H biotiin N lipoehape U S-metüümetioniin Rasvlahustuvad vitamiinid: A retinoidid D kaltsideroolid E tokoferoolid K naftokinoonid Q ubiknoonid F linoolhape ja alfalinoolhape

37 HORMOONID Hormoonid on signaalmolekulid, mis koordinerivad organismi erinevate rakkude aktiivsusi: Hormoonid edastavad signaali vajaliku muutuse tekitamiseks seostudes märklaudrakul olevate spetsiifiliste retseptoritega: Retseptorid on valkkompleksid, mis paiknevad rakumembraanis, tsütoplasmas, rakutuumas ja mujal Signaalmolekuli ja retseptori vaheline interaktsioon on mittekovalentne, pöörduv ja küllastav Sõltuvalt sellest, kui kaugel asuvad ja millised on sihtrakud, eristatakse rakkudevahelise signalisatsiooni (regulatsiooni) järgmisi variante: Endokriinne signalisatsioon Parakriinne sinalisatsioon Autokriinne signalisatsioon Neurokriinne signalisatsioon

38 ENDOKRIINNE SIGNALISATSIOON Teatud rakud sekreteerivad hormoone, mis satuvad vereringesse ja võivad toimida üle kogu keha laiali paiknevatele rakkudele Hormoonid toimivad väga madalas kontsentratsioonis 10-8 M Endokriinsed rakud paiknevad tavaliselt kindlates endokriinnäärmetes, kust hormoon sekreteeritakse ekstratsellulaarsesse ruumi, kust nad difundeeruvad edasi kapillaaridesse ja satuvad vereringesse Endokriinne signalisatsioon on suhteliselt aeglane, sest selleks on vaja hormooni sattumine vereringesse ja selle laialikandumine Näiteks insuliin, mida toodavad pankrease β-rakud, kust insuliin satub vereringlusse ning seostub üle kogu keha laiali paiknevatel rakkudel asuvate spetsiifiliste retseptoritega, mis käivitab insuliini toime märklaudrakkude sees

39 PARAKRIINNE SIGNALISATSIOON Rakud toodavad lokaalseid mediaatoreid, mis toimivad ainult vahetus läheduses olevatele rakkudele Lokaalsed mediaatorid lagundatakse või seotakse väga kiiresti, mistõttu ringlusse satub neist väga väike hulk

40 AUTOKRIINNE SIGNALISATSIOON Endokriinrakus sünteesitud ja sekreteeritud signaalmolekulid seostuvad sellesama raku retseptoritega Näit. stomatostatiini toime tema enda sekretsioonile

41 NEUROKRIINNE SIGNALISATSIOON Esineb närvikoes, kus rakud sekreteerivad neurotransmittereid, mis sekreteeritakse ekstratsellulaarsesse ruumi Neurotransmitter liigub sünaptilise vedeliku vahendusel märklaudrakuni, kus ta seostub spetsiifiliste retseptoritega: Märklaudrakk võib olla postsünaptiline (kaugus 50 nm) või presünaptiline (sama rakk) Näit. noradrenaliini sekreteeritakse südame närvilõpmetes ja ta toimib südamelihase rakkudele

42 HORMOONIDE TÜÜBID Hormoone võib liigitada keemilise struktuuri järgi: Aminohappehormoonid Peptiidhormoonid Valkhormoonid Steroidhormoonid Vitamiin D hormoonvormid Eikosanoidhormoonid Retinoidhormoonid Tihti liigitatakse hormoone ka nende sünteesikohtadest lähtuvalt: Näit. hüpotalamuse, hüpofüüsi, kilpnäärme, pankrease, maksa, neerude, neerupealisekoore, jne.hormoonid

43 VERESUHKRU TASEME REGULEERIMINE Inimorganism reguleerib veresuhkru taset erinevate erinevate hormoonide sünteesi kaudu: Insuliin langetab veresuhkru taset: Kontrollib glükoosi transporti lihaskoe ja rasvkoe rakkudesse, intensiivistab rakkudes glükoosi oksüdatsiooni (glükolüüsi) ja stimuleerib glükogeeni sünteesi Sünteesitakse pankrease β-rakkudes Glükagoon tõstab veresuhkru taset: Intensiivistab maksas glükogeeni lammutamist, pärssides samal ajal glükogeeni sünteesi ning glükolüüsi Somatostatiin langetab veresuhkru taset Adrenaliin, noradrenaliin, somatotropiin ja kortisool tõstavad vere glükoositaset

44 INSULIINI TOIMEMEHHANISM VERESUHKRU LANGETAMISEL Insuliin seostub raku pinnal olevate spetsiifiliste retseptoritega, millest saab alguse signaali transduktsioon

45 GLÜKOKORTIKOIDIDE TOIMEMEHHANISM Steroidhormoonid on väikesed hüdrofoobsed molekulid, mis difundeeruvad läbi märklaudraku membraani Raku sees seostuvad nad rakusiseste retseptoritega, mis aktiveerudes liiguvad rakutuuma ning mõjutavad geenide ekspressiooni

46 SIGNAALI ÜLEKANDE MOLEKULAARMEHHANISMID Signaali ülekanne on kaskaadne sündmuste jada, mis algab signaalmolekuli seostumisega märklaudrakkude spetsiifiliste retesptoritega ja lõpeb rakusisese metaboolse vastusega Signaalmolekul (primaarne ülekandja) Retseptor Sekundaarsed signaalid (sekundaarsed ülekandjad) Spetsiifiliste ensüümide või valkude modifitseerimine Metaboolne vastus (metaboolse raja funktsioneerimise muutus, raku talituse vajalik muutus)

47 BIOMEMBRAANID Biomembraanid jagatakse kahte rühma: Plasmamembraan: Välismebraan, mis piiristab rakke Sisemebraan: Tuumaümbris, endoplasmaatiline retiikulum, Golgi kompleks, endosoomid, lüsosoomid, mitokondrid Tagab rakusises liigendumise ja formeerib rakusiseseid struktuure

48 BIOMEMBRAANIDE KOMPONENDID Biomembraanid koosnevad peamiselt lipiididest ja valkudest ning vähemal määral süsivesikutest, mis on seotud lipiidide ja valkudega: Näit. plasmamembraan sisaldab 40 46% lipiide, 48 50% valke ning 6 10% süsivesikuid Biomembraanide põhilipiidid on fosfolipiidid, vähemal määral esineb ka sfingolipiide ja lipiididesarnaseid biomolekule, näit. kolesterool Biomembraanide valgud: Perifeersed valgud: Paiknevad membraani sise- või välispinnas Transmembraansed, integraalsed: Läbivad biomembraani

49 BIOMEMBRAANI FOSFOLIPIIDID Fosfolipiidid on multikomponentsed lipiidid, mille alkoholiks on glütserool (glütserofosfolipiid) või sfingosiin (sfingolipiid) Glütserofosfolipiid sisaldab glütserooli, kahte rasvhappejääki ning fosforüleeritud alkoholist: Alkohol O O O P O O P O O O CH 2 CH CH 2 OH OH OH CH 2 CH CH 2 O O C O C O CH 2 CH CH 2 O O C O C O R 1 R 2 R 1 R 2 Glütserool Fosfatidaat Glütserofosfolipiid

50 FOSFOLIPIIDIDE RASVHAPPED Reeglina on fosfolipiidides üks rasvhappejääk küllastatud, teine küllastamata: Küllastamata rasvhappeahel käändub kaksiksideme kohalt, mis soodustab membraanide voolavust Inimorganismi lipiidides sisaldavad rasvahappejäägid paaris arvu süsinuku aatomeid, reeglina C 16 : Küllastunud C 18 : Küllastumata

51 BIOMEMBRAANI STRUKTUUR Fosfolipiidide molekulid koosnevad polaarsest ja hüdrofoobsest osast: Fosforüleeritud alkoholi osa on polaarne Rasvhappejäägid on hüdrofoobsed Fosfolipiidid moodustavad biomembraani lipiidse kaksikkihi (bilayer): Paksus 4 6 nm Polaarne pea Hüdrofoobne saba

52 LIPIIDSE KAKSIKKIHI MUDEL

53 KOLESTEROOL Inimorganismi kõigis biomembraanides esineb kolesterooli (lipiidisarnane tsükliline alkohol): Kõige enam esineb kolesterooli plasmamembraanis (ca 20% üldkaalust) Kolesterooli polaarne osa on tema hüdroksüülgrupp ja ülejäänud molekul on hüdrofoobne CH 3 H H C CH 2 CH 2 CH 2 C CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 HO

54 BIOMEMBRAANIDE GLÜKOLIPIIDID Glükolipiidid on süsivesikuid sisaldavad lipiidid: Süsivesikud esinevad oligosahhariidjääkidena lipiidides Oligosahhariidjäägid võivad ka esineda membraanvalkudes (glükoproteiinid) Oigosahhariidjäägid on reeglina plasmamembraani välispinnal Inimorganismi biomembraanides on enamus glükolipiide sfingosiini derivaadid: Lipiidi hüdrofoobse osa moodustab sfingosiini rasvhappejääk ja polaarse osa moodustavad süsivesikud H H 3 C (CH 2 ) 12 C H H C C C CH 2 OH H HO NH 3 + H H H H 3 C (CH 2 ) 12 C C C C CH 2 O H HO N H Glükoos või galaktoos O C R 1 Sfingosiin Tserebrosiid (glükolipiid)

55 LIPIIDNE KAKSIKKIHT

56 BIOMEMBRAANIDE ÜLDOMADUSED Asümmeetrilisus: Plasmamembraani sise- ja välispinnad pole identsed Voolavus: Membraanid on dünaamilised struktuurid: Üksiklipiidid ja valgud võivad membraanis migreeruda Üksikud fosfolipiidid võivad hüpata sisemisest pinnakihist välimisse ja vastupidi Rasvhapetete sabad ja valgud võivad teha pöördeid Kolesterool on lipiidse kaksikkihi voolavuse peamine regulaator: Ta paigutub kaksikkihi hüdrofoobses osas ning tema jäik tuum tsementeerib antud koha

57 LIPIIDIDE MIGREERURIMINE KAKSIKKIHIS

58 PLASMAMEMBRAANI FUNKTSIOONID Piiristamine: Barjäär, mis eraldab raku sisekeskkonna rakkudevahelisest ruumist Transport: Plasmamembraanis painkevad transpordisüsteemid, mis tagavad raku sisekeskkonna vajaliku ja suhteliselt püsiva koostise Metaboolne: Plasmamembraanil olevad ensüümid katalüüsivad biokeemilisi reaktsioone Signaali ülekanne: Plasmamembraanis paiknevad retseptorid seostuvad signaalmolekulidega, mille tulemusel edastatakse info raku sisemusse Elektrofüsioloogiline: Ioonide ebavõrdne jaotumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel tekitab potentsiaalide vahe (vajalik näit. närvi- ja lihaskoe talituseks) Antigeenne: Plasmamembraani glükoproteiinid määravad tema võime esile kutsuda spetsiifiliste antikehade moodustumise

59 MEMBRAANTRANSPORT Membraantransport tagab: Toitainete imendumise Raku elutegevuseks vajalike ainete omastamise verest Spetsialiseeritud rakkudes toodetud biomolekulide väljutamise rakust Metaboolsete lõpp-produktide väljutamise rakust Aine transpordivariandid sõltuvad tema kontsentratsioonist membraani eri pooltel ning tema füsiko-keemilistest omadustest (lahustuvus vees ja lipiidides, molekulaarmass, mõõtmed, jne.): Difusioon Passiivne transport Aktiivne transport

60 DIFUSIOON Aine liigub läbi biomembraani madalama kontsentratsiooni suunas (puudub kandja ja energiavajadus) Membraani läbivad süsihappegaas, lämmastik, hapnik, hüdrofoobsed ning väikesed laenguta polaarsed molekulid Vesi ja karbamiid läbivad biomembraani aeglasemalt Membraani ei läbi ioonid ning laenguga molekulid

61 PASSIIVNE TRANSPORT Kergendatud difusioon: Aine transport madalama kontsentratsiooni suunas valgulise transporteri konformatsioonimuutuste tõttu Aine kandub transporteri molekuli ühelt osalt teisele ja läbib membraani energia otsese vajaduseta Näit. glükoosi transport verest erütrotsüüti Transport vahetaja abil: Toimub kahe aine koostransport valgulise vahetaja abil madalama konstentratsiooni suunas Vahetuse ekvivalentsuse tõttu pole energiat otseselt vaja Kahe aine koostransport võib olla erinevates suundades (näit. Na + -Ca 2+ vahetaja) või samas suunas (näit. Na + ja glükoosi koostransport osades rakkudes) Transport ioonkanalite abil: Iooni vool läbi transmembraanse ioon-selektiivse kanalivalgu piki elektrokeemilist gradienti

62 AKTIIVNE TRANSPORT Aine transport vastu kontsentratsiooni gradienti energia otsese kasutamisega Primaarne aktiivne transport: Ensüümne transportsüsteem teostab ATP hüdrolüüsi ja rakendab hüdrolüüsienergia transpordika vajalikeks konformatsioonimuutusteks: Näit.: Na + -K + -pump: Toimub ATPaasi aktivatsioon, milleks on vaja ATPd, mis hüdrolüüsitakse: Kolm Na + -iooni transporditakse rakust välja ja kaks K + -iooni transporditakse rakku sisse Sekundaarne aktiivne transport: Ensüümpumba loodud ühe aine gradiendienergiat kasutatakse teise aine transpordiks: Näit. Na + ja glükoosi koostransport osades rakkudes, Na + ja aminohapete koostransport

63 Na + JA GLÜKOOSI KOOSTRANSPORT