Ensüümid, nende toimimis- ja regulatsioonimehhanismid rakkudes

ERIFUNKTSIOONE TÄITVAD Rakud - biopolümeeridest ehitatud isepaljunevad, diferentseeruvad ja erifunktsioone täitvad mikroskoopilised mullreaktorid BIOPOLÜMEERID ISEPALJUNEVAD DIFERENTSEERUVAD ERIFUNKTSIOONE TÄITVAD (MULL)REAKTORID Prokarüootsed rakud – bakterid - 1µm Eukarüootne rakk - >10µm

Ainekogus (μmol/g kuivkaalu) Monomeer Ainekogus (μmol/g kuivkaalu) Valkude aminohapped Lipiidide komponendid Alaniin 488 Glütserool 161 Arginiin 281 Etanoolamiin 97 Asparagiin 229 C16:0 rasvhapped (43%)   Aspartaat C16:1 rasvhapped (33%) Tsüsteiin 87 C18:1 rasvhapped (24%) Glutamaat 250 Keskmine rasvhappe 258 Glutamiin LPS komponendid Glütsiin 582 Glükoos 16,8 Histidiin 90 Glükoosamiin Isoleutsiin 276 25,2 Leutsiin 428 Ramnoos 8,4 Lüsiin 326 Heptoos Metioniin 146 KDO Fenüülalaniin 176 Hüdroksümuriinhape 33,6 Proliin 210 Rasvhape (C14:0) Seriin 205 Peptidoglükaani komponendid Treoniin 241 N-atsetüülglükoosamiin 27,6 Trüptofaan 54 N-atsetüülmuraamhape Türosiin 131 55,2 Valiin 402 Diaminopimelaat RNA nukleotiidid AMP 165 Glükogeeni komponendid (glükoos) 154 GMP 203 Polüamiinid CMP 126 Putrestseiin 34,1 UMP 136 Spermidiin 7 DNA nukleotiidid dAMP 24,6 dCMP 25,4 dGMP dTMP Monomeeride sisaldus E. coli rakus - µmooli/g dwgt

Keskmiselt kiiresti paljuneva (td=1h) E. coli raku koostis Komponendid % kuiv-kaalust Mass (g*1015)/rakk Ainekogus kuivkaalus Molekulide arv rakus Erinevate molekulide arv rakus Valgud 55 156 4,0*104 2350000 1850 RNA 20,5 58   23S rRNA 31 1,0*106 18700 1 16SrRNA 15,5 5,0*105 5S rRNA 1,2 3,9*104 tRNA 8,2 2,5*104 198000 60 mRNA 2,3 1380 600 DNA 3,1 8,8 2,5*109 2,1 Lipiidid 9,1 25,9 705 22000000 Lipopolü-sahhariidid 3,4 9,7 4070 1430000 Peptidoglükaan 2,5 7,1 (904)n Glükogeen 4300 Polüamiinid 0,4 1,1 Putrestsiin 0,83 88 5600000 Spermidiin 0,27 145 1100000 Metaboliidid, kofaktorid, ioonid 3,5 9,9 800+

Rakkude ensüümkomponendid ja reaktsioonide tüübid: Ensüümid - “tavalised” ensüümreaktsioonid – Michaelis-Menten’i kineetika, Molekulaarsed masinad: DNA polümeraas - DNA replikatsioon, RNA polümeraas - transkriptsioon, Ribosoomid - translatsioon, Hingamisahel – membraanpotentsiaali tekitamine ATP-süntaasid – ATP tootmine, Viburid – rakkude liikumine ... Membraantransporterid PTS

Mullreaktor – rakus toimuvad reaktsioonid, rakk on reaktor, rakus toimub ainevahetus, metabolism Raku funktsioneerimise "põhiskeem" – metabolismi kahetasemelisus: polümeere kopeerivate molekulaarsete masinate tase: DNA RNA Valgud b) madalamolekulaarsete ainete metabolismi tase (NB!). Madalamolekulaasete ainete metabolismi põhiblokid - nende nimed - glükolüüs, Krebsi tsükkel, hingamisahel, pentoosfosfaaditsükkel, Madalamolekulaarsete ainete metabolismi põhiülesanded: tagada erinevatest substraatidest põhimonomeeride süntees, tagada rakuprotsesside energiaga varustamine.

Molekulaarbioloogia tsentraalne dogma – bioloogilise informatsiooni “voolu” suund on DNA RNA valk Pöördtranskriptsiooni avastamisega (RNA DNA) “usk” dogmasse on mõnevõrra vähenenud. Samas pole näidatud, et oleks võimalik info “vool” valk RNA

Meid huvitavad nende reaktsioonide mehhanismid ja reguleerimise võimalused NB!

Ensüümid

Rakkudes on katalüsaatoriteks valdavalt ensüümid – valgud. Rakkudes on kõikide reaktsioonide jaoks katalüsaatorid (ensüümid) – kõik reaktsioonid on katalüütilised Katalüsaatorid kiirendavad keemilisi reaktsioone ilma nende tasakaaluolekut muutmata – katalüsaatorid kiirendavad tasakaalu saabumist Rakkudes on katalüsaatoriteks valdavalt ensüümid – valgud. Tänu unikaalsele ruumilisele struktuurile (valgud on perioodilised kristallid) on ensüümid: väga efektiivsed – nad kiirendavad reaktsioone tuhandeid ja rohkem kordi, ja väga spetsiifilised – tarvitseb substraadi molekulis muuta ainult ühe rühma asendit ja ensüüm ei tunnista muudetud molekuli enam substraadina Siiani eksisteerib ensüümide kõrge efektiivsuse ja spetsiifilisuse saladus – pole teada efektiivsuse ja spetsiifilisuse füüsikalis-keemilisi mehhanisme

Reaktsioonide kirjeldus Ensüümide klassid ja nende numbrid Number Klass Reaktsioonide kirjeldus 1. Oksidoreduktaasid Toimivad mitmetele funktsionaalsetele rühmadele liites või eemaldades vesiniku aatomeid. 2. Transferaasid Kannavad funktsionaalseid rühmi üle doonormolekulidelt aktseptormolekulidele. Kinaasid on spetsialiseeritud transferaasid, mis kannavad üle fosfaatrühmi ATPlt teistele molekulidele. 3. Hüdrolaasid Lisavad vee molekuli hüdrolüüsitavale sidemele. 4. Lüaasid Lisavad vee, ammooniumi või CO2 molekuli kaksiksidemele või eemaldavad nimetatud grupid tekitades kaksiksideme. 5. Isomeraasid Katalüüsivad isomerisatsioonireaktsioone – L-D isomerisatsiooni, mutaasseid reaktsioone (keemiliste gruppide nihkeid) jms. 6. Ligaasid Katalüüsivad reaktsioone, kus kaks keemilist rühma ühendatakse (ligeeritakse) ATP energia arvelt.

k1 k2 E + S (ES) E + P k-1

Michaelis-Menten’i võrrand V1=V=dp/dt – ensüümreaktsiooni kiirus Vmax=k2 e0 Km=(k-1+k2)/k1

Ensüümid alandavad aktivatsioonibarjääri 1

Ensüümid alandavad aktivatsioonibarjääri 2

Aktivatsioonibarjääril Ensüüm-substraadi kompleksi moodustumine – väga tähtis protsess – ensüüm-substraadi kompleks ongi aktivatsioonibarjääril Aktivatsioonibarjääril

Ensüümide töökiirus sõltub pH-st

Ensüümide töökiirus sõltub temperatuurist

Reguleerida saab rakus ensüümide aktiivsust ja nende hulka Ensüümid on efektiivsed, spetsiifilised hästi reguleeritavad katalüsaatorid. Reguleerida saab rakus ensüümide aktiivsust ja nende hulka aktiivsuse regulatsioon – allosteerilised ensüümid, ensüümide hulkade regulatsioon – geenide aktiivsuse regulatsioon (klassika – operoni mudel)

Allosteerilised ensüümid –ensüümide aktiivsus on reguleeritav mittesubstraadi molekulidega

Negatiivse tagasiside mehhanism Allosteeriliste ensüümidega tagatakse aminohapete sünteesi regulatsioon Negatiivse tagasiside mehhanism

DNA polümeraas Replikatsioon

Molekulaarbioloogia tsentraalne dogma – bioloogilise informatsiooni “voolu” suund on DNA RNA valk Pöördtranskriptsiooni avastamisega (RNA DNA) “usk” dogmasse on mõnevõrra vähenenud. Samas pole näidatud, et oleks võimalik info “vool” valk RNA

Kahtlemata on üheks kõige tähtsamaks rakuprotsessiks DNA replikatsioon – DNA kopeerimine DNA kopeerimise mehhanismi iseärasused hakkasid kiiresti selguma pärast DNA struktuuri teadasaamist, seetõttu peetakse kaasaegse molekulaarbioloogia sünnipäevaks DNA bihelikaalse struktuuri avastamist

DNA replikatsioon on “poolkonservatiivne” – tütar-DNAd saavad kumbki ühe vanadest ahelatest – väga tähtis fakt DNA replikatsioonimehhanismi mõistmiseks. Põhimõtteliselt on ka teisi võimalusi – vt. järgmine slaid.

Erinevad võimalikud DNA replikatsiooni skeemid

DNA ahela pikenemine 5’ 3’ suunas

Siit on näha, miks DNA replikatsioonil ahela pikenemine toimub 5’ 3’ suunas

Prokarüootsete rakkude DNA replikatsioon algab kindlast piirkonnast ori ja kulgeb kahes suunas kuni rõngakujuline kromosoom on täielikult replitseeritud

DNA replikatsioon toimub ühe ahela jaoks õiges 5’ 3’ suunas, teise ahela jaoks aga “tagurpidisuunas”. “Tagurpidiahela” kopeerimist vaata järgmiselt kilelt.

“Tagurpidiahela” kopeerimine

ˇVeel üks pilt DNA replikatsioonist

DNA polümeraas

DNA replikatsiooni kiirus on konstantne, ei sõltu rakkude kasvutingimustest ja on 800-1000 aluspaari (bp – base pairs) sekundis. Amiinohapete arv molekulis 48553 – E. coli) Prokarüootsete rakkude DNA replikatsiooni alustab üks DNA polümeraas ja ta viib replikatsiooni ka lõpule (vt. järgmine slaid), mis tähendab, et näiteks E. coli puhul võtab DNA replikatsioonitsükkel aega 40 minutit ja seda lühendada ei saa. Nimetatud asjaolu on tähtis, kui püüda aru saada, kuidas korraldada rakutsükleid, mille pikkus on väiksem, kui 40 minutit (E. coli on võimeline kasvama 20 minutilise rakutsükliga) Eukarüootsete rakkude DNA (100-1000 korda pikem kui prokarüootsete rakkude DNA) replikatsioon toimub tänu paljude DNA polümeraaside samaaegsele tööle (multitsentriline replikatsioon)

RNA polümeraas Transkriptsioon

Molekulaarbioloogia tsentraalne dogma – bioloogilise informatsiooni “voolu” suund on DNA RNA valk Pöördtranskriptsiooni avastamisega (RNA DNA) “usk” dogmasse on mõnevõrra vähenenud. Samas pole näidatud, et oleks võimalik info “vool” valk RNA

Mullreaktor – rakus toimuvad reaktsioonid, rakk on reaktor, rakus toimub ainevahetus, metabolism Raku funktsioneerimise "põhiskeem" – metabolismi kahetasemelisus: polümeere kopeerivate molekulaarsete masinate tase: DNA RNA Valgud b) madalamolekulaarsete ainete metabolismi tase (NB!). Madalamolekulaasete ainete metabolismi põhiblokid - nende nimed - glükolüüs, Krebsi tsükkel, hingamisahel, pentoosfosfaaditsükkel, Madalamolekulaarsete ainete metabolismi põhiülesanded: tagada erinevatest substraatidest põhimonomeeride süntees, tagada rakuprotsesside energiaga varustamine.

RNA polümeraas II – R. Kornberg 2006 Nobel

RNA polümeraas II täpsustatud struktuur RNA polümeraasi kcat=40 s-1 Molekulis on 5500 amiinohapet

Transkriptsioon on teine tähtis lüli molekulaarbioloogia tsentraalses dogmas ning valkude biosünteesi ahelas. Transkriptsiooni käigus sünteesitakse kõik rakus vajaminevad RNA molekulid.

Eukarüootides toimub mRNA splaissing

Ribosoomid Translatsioon

Molekulaarbioloogia tsentraalne dogma – bioloogilise informatsiooni “voolu” suund on DNA RNA valk Pöördtranskriptsiooni avastamisega (RNA DNA) “usk” dogmasse on mõnevõrra vähenenud. Samas pole näidatud, et oleks võimalik info “vool” valk RNA

Mullreaktor – rakus toimuvad reaktsioonid, rakk on reaktor, rakus toimub ainevahetus, metabolism Raku funktsioneerimise "põhiskeem" – metabolismi kahetasemelisus: polümeere kopeerivate molekulaarsete masinate tase: DNA RNA Valgud b) madalamolekulaarsete ainete metabolismi tase (NB!). Madalamolekulaasete ainete metabolismi põhiblokid - nende nimed - glükolüüs, Krebsi tsükkel, hingamisahel, pentoosfosfaaditsükkel, Madalamolekulaarsete ainete metabolismi põhiülesanded: tagada erinevatest substraatidest põhimonomeeride süntees, tagada rakuprotsesside energiaga varustamine.

Ribosoom

Ilupilt ribosoomide tööst

Translatsioon on viimane lüli tsentraalses dogmas ja translatsiooni käigus sünteesitakse valgud

Veel üks pilt ribosoomide tööst

Järgmised neli skeemi kirjeldavad translatsiooni üsna detailselt

ˇTranskriptsiooni ja translatsiooni käigus realiseeritakse geneetiline kood

Ribosoomid sünteesivad polüpeptiidahelat kasvutingimustest sõltumatu kiirusega – 20 polüpeptiidsidet sekundis. Ribosoomide aeglane töökiirus kompenseeritakse nende suure arvuga - ribosoome on bakterirakus umbes 20 000 (järgnevatel slaididel 18700), nii et maksimaalne valkude sünteesi kiirus on 400 000 (4x105) polüpeptiidsidet sekundis. Tänu polüsoomidele (tänu sellele, et ribosoomid võivad transleerida mRNAd liikudes tihedalt üksteise kannul) võib see maksimaalne kiirus olla ka tegelikult realiseeritav.

Sü Sisendparameeter Ligikaudne väärtus ndna D-nukleotiidide arv DNA molekulis 4.7·106 mk nrrna R-nukleotiidide arv rRNA molekulis 4700 mk ntrna R-nukleotiidide arv tRNA molekulis 70 mk nmrdp R-nukleotiidide arv DNA polümeraasi mRNA molekulis 145659 mk nmrrp R-nukleotiidide arv RNA polümeraasi mRNA molekulis 16500 mk nmrlp R-nukleotiidide arv lipiide polümeriseeruva ensüümi mRNA molekulis 900 mk nmrrs R-nukleotiidide arv ribosoomi valgufraktsiooni mRNA molekulis 21780 mk nmrpts R-nukleotiidide arv PTS-kompleksi mRNA molekulis 6000 mk nmrha R-nukleotiidide arv hingamisahela mRNA molekulis. 30000 mk nmre R-nukleotiidide arv monomeere sünteesiva ensüümi mRNA molekulis. nlip Monomeeride arv lipiidi molekulis. 1 mk ndp Aminohapete arv DNA polümeraasi kompleksis 48553 mk nrp Aminohapete arv RNA polümeraasi molekulis 5500 mk nlp Aminohapete arv lipiide polümeriseeruva ensüümi molekulis 400 mk npts Aminohapete arv PTS-kompleksi molekulis 2000 mk nha Aminohapete arv hingamisahela molekulis 10000 mk ne Aminohapete arv monomeere sünteesiva ensüümi molekulis nrs Aminohapete arv ribosoomi valgufraktsioonis 7260 mk

kdp krp krs kpts kha klp ke Sü Sisendparameeter Ligikaudne väärtus DNA polümeraasi kcat 800 mk/sek krp RNA polümeraasi kcat 40 mk/sek krs Ribosoomi kcat 20 mk/sek kpts PTS-kompleksi kcat 100 mk/sek kha Hingamisahela kcat klp Lipiide polümeriseeriva ensüümi kcat ke Monomeere sünteesivate ensüümide kcat-d.

Valkude sünteesi regulatsioon = geeniekspressiooni regulatsioon

Kuidas reguleeritakse valkude biosünteesi prokarüootides?

Valkude biosünteesi regulatsiooni võimalikud kohad eukarüootsetes rakkudes – märgitud roosaga. Valkude biosünteesi regulatsioon peab tagama valkude õigeaegse sünteesi vajalikus koguses

Transkriptsiooni ja translatsiooni “molekulaarsem” skeem eukarüootsetes rakkudes

Valkude biosünteesi regulatsioon toimub kõige “jõulisemalt” transkriptsiooni tasemel, kuigi ka teisi eelmisel joonisel näidatud kontrollpunkte ei tohiks ära unustada. Transkriptsiooni tasemel toimuva regulatsiooni “ühikuks” on operon. Esimeseks operoniks, mille töömehhanism selgeks sai oli lac-operon, mis tagas laktoosi kasutamiseks vajalike ensüümide sünteesi juhul, kui glükoosi bakterite kasvukeskkonnas polnud ja laktoosi oli. Lac-operoni töö põhimõte on kirjeldatud järgmistel joonistel

Rakud erinevad üksteisest tänu sellele, et erinevates rakkudes on biopolümeerid ja nende hulgad erinevad. Rakkude diferentseerumine (erinevaks muutumine) toimub tänu erinevate geenide ekspresseerumisele – selle tulemusena muutuvad biopolümeeride hulgad

Diauksia rakkude kasvul – geeniregulatsiooni mehhanismi avastamine F. Jacob, J. Monod, A Lwoff

lac-operoni skeem Klassikaline mudel

lac operoni töömehhanism

Rakkude diferentseerumine, mis seisneb erinevate geenide ekspressioonis (erinevate valkude süsnteesis) erinevates rakkudes (erinevates kasvutingimustes) tagab kohanemisvõime hulkraksete organismide embrüonaalse arengu (elutsükli) Diferentseerunud rakud on võimelised realiseerima kindlaid, ainult neile iseloomulikke funktsioone – retseptorid, neuronid, lihasrakud jne – inimese organismis on 700 erinevat rakutüüpi

Madalamolekulaarsete ainete metabolism rakus

Peaaegu realistlik pilt rakkude ainevahetuse võrgustikust Madalamolekulaarsete ainete sünteesi võrgustik Vt. www.kegg.com

Erinevad ainevahetusvõrgustiku osad tegelevad erinevate ainete sünteesiga MOLECULE BUILDING BLOCK MAJOR FUNCTION DNA Nucleotides Genetic Material RNA Template for Protein synthesis Protein Amino acids Cell Structure and Function Lipid Fatty acids Membrane Component Carbohydrate Sugars Energy Production

Mullreaktor – rakus toimuvad reaktsioonid, rakk on reaktor, rakus toimub ainevahetus, metabolism Raku funktsioneerimise "põhiskeem" – metabolismi kahetasemelisus: polümeere kopeerivate molekulaarsete masinate tase: DNA RNA Valgud b) madalamolekulaarsete ainete metabolismi tase (NB!). Madalamolekulaasete ainete metabolismi põhiblokid - nende nimed - glükolüüs, Krebsi tsükkel, hingamisahel, pentoosfosfaaditsükkel, Madalamolekulaarsete ainete metabolismi põhiülesanded: tagada erinevatest substraatidest põhimonomeeride süntees, tagada rakuprotsesside energiaga varustamine.

Energia tootmine – madlamolekulaarset ainete metabolismi üks põhifunktsioonidest http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4&part=A287

Rakkude ainevahetuse lihtsustatud skeem CO2 O2 H2O

Madalamolekulaarsete ainete metabolismil on rakus kaks põhieesmärki: toota energiat toota monomeere Energia tootmine toimub glükoosi (substraatide) oksüdatsiooni käigus heterotroofides, fotosünteetikud eksisteerivad Päikese kiirguse energia arvelt: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Glükoosi täieliku oksüdatsiooni puhul ∆Gº = – 686 kcal/mool heterotroofid autotroofid

Bioloogiline oksüdatsioon erineb põlemisest selle poolest, et bioloogilise oksüdatsiooni käigus toimub astmeline oksüdatsioon

Kasvusubstraatide molekulide oksüdeerimise käigus vabanevat energiat (ATP, NADH2 jne) kasutatakse energiat vajavate reaktsioonide käitamiseks – NB! konjugeeritud reaktsioonid

ATP ongi rakkudes “energiakonserv”, mis kannab 7 kcal/mool portsjonidena energiat kuhu vaja

NAD on ATP kõrval teiseks tähtsaimaks energiakandjaks. Energiakandjateks on rakus ka kõik teised nukleotiidid, samuti membraanpotentsiaal

Kõik polümerisatsioonireaktsioonid on rakus energia tarbijad

Glükoosi oksüdatsioonil toimuva ATP sünteesi bilanss

Glükolüüsi reaktsioonid

Glükolüüsi energeetika

Trikarboonhapete (Krebs’i) tsükli lihtsustatud skeem

Krebs’i tsükli detailne skeem

Hingamisahela skeem – prokarüootsetes rakkudes on hingamisahel välismembraanil, eukarüootsetes rakkudes mitokondrite membraanil

Hingamisahela energeetika

ATP süntaas on molekulaarne masin

Molekulaarsed mootorid: ise on väikesed (10 Å=1 nm) – saab teha aga väga suuri asju (1-100m) – 109-1010 suuruste erinevus pole (traditsioonilised) soojusmasinad – töötavad tahke “kandjaga” konjugeeritud reaktsioonid – ATP on energiakandja, ATPsse talletatud keemiline energia muundatakse toatemperatuuril tööks või ka keemiliseks energiaks

Mootorid – molekulaarsed mootorid ~1m 10-8m=100Å

ATP

Konjugeeritud reaktsioonid Mehhaanikas Konjugeeritud reaktsioonid A + B C + Energia (Keemiline energia - ATP) E + F + Energia G Bioloogias

Rakumootorid: DNA polümeraas RNA polümeraas ribosoomid ATP süntaasid viburid jms kinesiin jt transportmootorid mitootiline aparaat sarkomeerid (lihased) ...

Hingamisahel – ATP süntees – molekulaarsed mootorid

Video-mikroskoopia

ATP süntaas – vaade “kõrvalt”

Vaade ülevalt

Madalamolekulaarsete ainete metabolismi teine ülesanne on toota monomeere – skeemil on näidatud glükolüüsi ja Krebs’i tsükli vaheühendid, millest algavad monomeeride sünteesirajad

Madalamolekulaarsete ainete metabolismi regulatsioon toimub, nagu eelpool öeldud, oluliselt allosteeriliste ensüümide abil. Skeemil on näha glükolüüsi regulatsiooni kohad glükolüüsil.

Membraanitranspordiprotsessid

Väga tähtsateks protsessideks rakkudes on transpordiprotsessid läbi membraanide H. Pylori transpordisüsteemide skeem

Phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase systems (PTS) Fosfoenoolpüruvaat-sõltuv transportsüsteem - PTS Phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase systems (PTS) glucose, fructose, mannose, galactitol, mannitol, sorbitol, xylitol and N-acetylglucosamine

Viburid – rakkude liikumine

Gram-negatiivsete bakterite vibur E. coli

Molekulaarsem pilt viburist

Veel molekulaarsem pilt viburist, kust näha ka energiaga varustamine

Bakterite liikumine

Erinevate bakterite liikumine

Rakutsükkel prokarüootsetes rakkudes

Kasutades kirjeldatud protsesse ja regulatsioonimehhanisme on rakud võimelised isepaljunema ning täitma paljusid teisi funktsioone Üheks tähtsamaks, prokarüootide jaoks ehk kõige tähtsamaks, protsessiks on rakutsükli koordineeritud ja keskkonnatingimustele vastava kiirusega realiseerimine. Selleks on vaja kooskõlastatult replitseerida DNA, kopeerida kõik ülejäänud polümeerid ning tagada raku jagunemine.

Miks rakud (organismid) peavad isepaljunema - eksisteerivad vaid need, kes paljunevad vähemalt sama kiiresti kui surevad – rakkudes pole kõiki vigu parandavaid mehhanisme Rakutsükkel - koordineeritud sündmuste ahel, mis tagab rakkude isepaljunemise Rakutsükli põhifaasid: DNA replikatsioon (kopeerimine) kõikide teiste polümeeride kopeerimine raku jagunemine

Maailmas enim levinud teooria – Helmstetter-Cooper-Donachie mudel, mis kirjeldab prokarüootse rakutsükli algoritmilist olemust baseerub järgmistel reeglitel (mehhanismidel): Raku kasv toimub sõltumata DNA replikatsioonist ja on määratud kasvutingimustega. DNA replikatsiooni aeg C on konstantne ning C väärtus on liigispetsiifiline suurus (E. coli puhul C = 40 min). Raku pooldumine toimub kindla liigispetsiifilise ajaintervalli (D) möödumisel replikatsiooni lõpetamise hetkest (E. coli puhul D = 20 min). DNA replikatsiooni initsieerimine toimub momentidel, kui Mi/Nori = Mü ja ainult siis. Toodud tingimustes on Mi raku mass antud hetkel (initsieerimise) hetkel, Nori on initsieerimiskomplekside (oriC) arv rakus ning Mü tähistab kriitilist massi (ühikmassi). Nagu hiljem veendume, on Mü sellise raku mass, mille rakutsükli pikkus (poolestusaeg) td = C + D.

Prokarüootse rakutsükli diagramm, kus on näidatud DNA replikatsiooni initsiatsiooni ja lõpetamise ning rakkude jagunemise hetked, samuti raku massi kasv td=100 min>C+D(=40+20 min) puhul

Raku mass CHD reeglid Massi kasvuseadus: lineaarne eksponentsiaalne Täisosa

Vaadake: http://simon.bio.uva.nl/CellCycle/index.html