Molekulaarbioloogiatsentraalne dogma ning raku ainevahetus Kaspar Valgepea (P.-J.Lahtvee mod.ettekanne) 19.02.2010

Tsentraalne dogma

DNA replikatsioon …raku pärilikkusaine ehk DNA kahekordistamine raku paljundamise eesmärgil Ühest kaksikahelalisest DNA-st (dsDNA) saadakse semikonservatiivse replikatsiooni tulemusena kaks identset DNA molekuli - tagatakse identse geneetilise infoga tütarrakkude teke!

Semiconservative-Replication in Prokaryote DNA replikatsioon Semiconservative-Replication in Prokaryote DNA replikatsioon

…ehk komplementaarse RNA süntees DNA järjestusest Transkriptsioon …ehk komplementaarse RNA süntees DNA järjestusest Thymine (T) asendatakse uracil’iga (U) DNA-d loetakse 3’»5’ suunas (nagu ka DNA replikatsioonil) aga ainult ühelt ahelalt kuna RNA on üheahelaline (see väldib Okazaki fragmentide tekke vajadust) DNA pealt RNA-ks transkribeeritud lõiku nim. transcription unit’ks, mis kodeerib vähemalt ühte geeni

Transkriptsioon Kui transkribeeritud geen kodeerib valku, siis nim. tekkinud “ühikut” mRNA-ks (millest luuakse hiljem translatsioonil valk) Alternatiivselt võib transkibeeritud geen kodeerida rRNA-d, tRNA-d, ribosüüme või teisi valgutootmisega seonduvaid komponente Transkriptsioon

…ehk valgu süntees mRNA järjestuselt Translatsioon …ehk valgu süntees mRNA järjestuselt Translatsiooni käigus toodetakse aminohapete ahel, polüpeptiid, mis hiljem “pakkub” aktviiseks valguks Translatsiooni viib läbi ribosoom (bakteri puhul 70S, mis koosneb omakorda väiksest (30S) ja suurest (50S) subunit’ist) Väike subunit’i moodustab 21-le valgule kinnituv 16S RNA subunit (1540nt) Suure subunit’i moodustavad 5S RNA (120nt), 23S RNA (2900nt) ning 34 valku

Translatsioon Ribosoom “tõlgib” mRNA info valguks läbi vastavatele mRNA-dele komplementaarsete antikoodonitega tRNA-de kinnitumise indutseerimise mRNA ribonukleotiidne info loetakse triplettidena mida kutsutakse ka koodoniteks - iga koodon kodeerib mingit kindlat aminohapet tRNA-d transpordivad ribosoomi mRNA tripletile komplemen-taarse antikoodonitega aminohappe Translatsioon Translatsioon vol.2

Miks seda kõike vaja on?

jaguneb kahte kategooriasse: Metabolism… …on komplekt keemilisi reaktsioone, mis pidevalt leiavad aset elus- organismides selleks, et säilitada elu. Need protsessid lubavad organismil kasvada ja paljuneda, säilitada nende struktuur ning kohaneda erinevatel keskkonna tingimustel. METABOLISM jaguneb kahte kategooriasse: KATABOLISM ANABOLISM

Katabolism vs Anabolism Lõhutakse suured molekulid (polümeerid) väiksemateks ühikuteks, et saada energiat. ANABOLISM Komplekt metaboolseid radu, mis moodustavad väiksematest ühikutest suuremaid molekule. Need reaktsioonid vajavad energiat. Peamine metaboolne energia kandja on adenosiintrifosfaat (ATP).

Ainete transport

Termodünaamika Energia – võime teha tööd, mis tähendab liigutada “ainet” mõjuvate jõududele vastas-suunas (nt vastu gravitatsiooni) Kineetiline energia – liikumise energia. Potentsiaalne energia – salvestatud energia, millega on võimalik teha tööd Termodünaamika – teadus energia muutumisest Termodünaamika esimene seadus - energia ei teki ega kao, ta võib vaid muunduda ühest liigist teise ning kanduda ühelt kehalt teisele - s.t universumi kogu-energia on jääv Termodünaamika teine seadus - Isoleeritud süsteemis kulgevad kõik protsessid entroopia kasvu suunas - Esineb pidev trend juhuslikkuse (kaose) suunas - Energiat tuleb kulutada, et säilitada korda – see energia kulutamine aga toodab soojust, mis aga suurendab entroopiat kusagil mujal Vaba energia – kogus süsteemi energiat, mida saab kasutada tööks - Seda kutsutakse “vabaks” energiaks, kuna sellega saab teha tööd, mitte, et süsteem ei oleks kulutanud energiat selle saamiseks

Energia kandjad ATP NAD+

Ensüümid ja keemilised reaktsioonid Ensüümid on valgulised keemilised agendid, mis muudavad rektsiooni seisundit, samas reaktsioonis neid ei tarbita ۷ Ka RNA molekulid võivad omada ensümaatilisi effekte, kuid 99% kõikidest ensüümidest on valgulise koostisega ۷ Nad ei tee võimatut – nad ainult kiirendavad reaktsioone ۷ Reaktsioonis neid ei tarbita ۷ Nad töötavad mõlema- (edasi- ja ka tagasi-) suunalistes reaktsioonides ۷ Nad on kõrgelt selektiivsed

Metabolismi skeem Põhikomponendid: Glükolüüsi rada Pentoosfosfaattsükkel Krebsi tsükkel Hingamisahel

http://www.kegg.com/

Metabolismi skeem Põhikomponendid: Glükolüüsi rada Pentoosfosfaattsükkel Krebsi tsükkel Hingamisahel

Glükolüüsi rada Eesmärk: lõhkuda glükoos kaheks püruvaadiks Glüko = suhkur; lüüs = lõhkumine Eesmärk: lõhkuda glükoos kaheks püruvaadiks Kes kasutab: kõik elusolendid Kus: tsütoplasmas Glükolüüsi käigus toodetakse 1 glc molekuli kohta 4 ATP-d ja 2 NADH-d, kuid tarbitakse 2 ATP-d, seega glükolüüsi bilanss on 2 ATP-d ja 2 NADH-d

Glükolüüsi rada Glükolüüs Etapp Glükoos (6C) lõhutakse Glütseeraldehüüd-3P (3C) Sellega kulutatakse 2 ATP-d 2. Etapp 2x 3PGA (3C) iiiomuudetakse 2x iiiopüruvaadiks Sellega kaasneb 4x iiioATP ja 2x NADH teke Summarne ATP iiiotootlikkus glükolüüsi iiiorajal on 2x ATP Glükolüüs

Metabolismi skeem Põhikomponendid: Glükolüüsi rada Pentoosfosfaattsükkel Krebsi tsükkel Hingamisahel

Pentoosfosfaadi rada Pentoosfosfaadi (PF) rada leiab aset raku tsütosoolis ning selle käigus toodetakse NADPH ja sünteesitakse pentoos-suhkruid (5C). PF rajal on kaks eristatavat faasi: esimene on oküdatiivne faas, kus toodetakse NADPH teine on mitte-oksüdatiivne, kus sünteesitakse erinevaid 5-süsinikulisi suhkruid. See rada on ka alternatiiv glükolüüsile. Kuna PF rada hõlmab endas glükoosi oksüdeerimist, on tema primaarne roll pigem anaboolne kui kataboolne PF raja primaarne funktsioon on: To generate reducing equivalents, in the form of NADPH, for reductive biosynthesis reactions within cells. To provide the cell with ribose-5-phosphate (R5P) for the synthesis of the nucleotides and nucleic acids.

Pentoosfosfaadi rada (PPP) Oksüdatiivne rada Üldine reaktsioon: Glucose 6-phosphate + 2 NADP+ + H2O → ribulose 5-phosphate + 2 NADPH + 2 H+ + CO2

Pentoosfosfaadi rada (PPP) Mitte-oksüdatiivne rada

Metabolismi skeem Põhikomponendid: Glükolüüsi rada Pentoosfosfaattsükkel Krebsi tsükkel Hingamisahel

Krebsi (TCA) tsükkel (1) Eesmärk: püruvaadi suunamine Krebs’i tsüklisse, toodetakse ATP, NADH ja FADH2 Kus: tsütoplasmas Koosneb kahest astmest - Püruvaadist Atsetüül CoA süntees - Krebs’i tsükkel Krebs’i tsüklis kõik süsinikud (C), vesinikud (H) ja hapnikud (O), mis tulevad püruvaadist muudetakse CO2 ja H2O-ks Krebs’i tsükkel koos Ace CoA sünteesiga toodab kokku 2 ATP-d, 8 NADH-d ja 2FADH2-te ühe glükoosi molekuli kohta

Püruvaadist Atsetüül CoA süntees, et siseneda Krebs’i tsüklisse PYR -> Ace CoA Püruvaadist Atsetüül CoA süntees, et siseneda Krebs’i tsüklisse Toodetakse 2x NADH Vabaneb 2x CO2

Krebsi (TCA) tsükkel (2) Toodetakse: 6 NADH 2 FADH2 2 ATP Vabaneb: 4 CO2 TCA tsükkel

Glükoosi oksüdeerimise kokkuvõte Iga glükoosi molekuli kohta, mis siseneb Krebsi tsüklisse (kaasa arvatud püruvaadist Atsetüül CoA süntees), süsteemi kogu-toodang on: 8 NADH 2 FADH2 2 ATP 6 CO2 Meeldetuletuseks: glükolüüsi käigus toodetakse 2 ATP ja 2 NADH, seega kogu-toodang selle hetkeni on 4 ATP, 2 FADH2 ja 10 NADH.

Metabolismi skeem Põhikomponendid: Glükolüüsi rada Pentoosfosfaattsükkel Krebsi tsükkel Hingamisahel

Elektron transpordi teel fosforüleerimine (Hingamisahel) Eesmärk: lagundades NADH ja FADH2, pumbatakse H+ ioonid rakust välja Selle reaktsiooni käigus ETS (elektronide transpordi süsteem) tekitab gradiendi, mida kasutatakse ATP tootmiseks Elektroni transport läbi fosforüleerimise toodetakse reeglina 32 ATP-d ATP-d toodetakse, kui H+ ioon liigub tänu kontsentratsiooni gradiendile läbi ensüümi ATP-süntaas rakku ETC ATP synthase

Kogu energia tootmine aeroobsel hingamisel Glükolüüs: 2 ATP Krebs’i tsükkel: 2 ATP Elektron transpordi teel fosforüleerimine: 32 ATP Iga NADH, mis toodetakse GLÜKOLÜÜSIS on võrdne 2 ATP-d (2 x 2 = 4) – NADH on väärt 3 ATP-d, kuid NADH transpordil mitokondrisse kulutatakse 1 ATP, seega summaarselt toodetakse glükolüüsi rajal 2 ATP-d iga NADH kohta Iga NADH, mis toodetakse püruvaadi sünteesil Atsetüül CoA-ks ja Krebsi tsüklis on väärt 3 ATP-d (8 x 3 = 24) Iga FADH2 on väärt 2 ATP-d (2 x 2 = 4) 4 + 24 + 4 = 32 Kogu energia tootmine: 36 ATP! 36 ATP-d toodetakse siiski vaid ideaaljuhul ning päris-elus esineb erinevaid kadusid

Kogu energia tootmine aeroobsel hingamisel Energia saagis: Glükoos: 686 kcal/mol ATP: 7.5 kcal/mol Mis on aeroobse hingamise efektiivsus? 7.5 x 36 = 270 kcal/mol saadakse kogu ATP tootmisest 270 / 686 = 39% energiat taastatakse aeroobse hingamise käigus

Anaeroobne hingamine Eesmärk: kulutada püruvaati, samas toota NAD+ Kus: tsütoplasmas Miks: hapniku puudumisel on see ainuke võimalus toota NAD+ ja ATP-d - Fermentatiivsete anaeroobsete) reaktsioonide ainsaks eesmärgiks on muuta NADH NAD+-iks (et hiljem seda glükolüüsis kasutada). - Energiat ei teki - Märkimisväärne erinevus – fermentatiivse metabolismi (anaeroobne) korral - toodetakse 2 ATP, aeroobsel hingamisel - 36 ATP-d

Anaeroobne hingamine Alkoholi fermentatsioon – esineb pärmis ja erinevates bakterites Fermentatsiooni produkt – alkohol – on organismile toksiline Piimhappeline fermentatsioon – esineb inimeses, teistel imetajatel ja ka nt. piimhappebakteritel Piimahappelise fermentatsiooni produkt – laktaat – on toksiline nii imetajatele kui ka bakteritele

Beta-oksüdeerimine Rasvad koosnevad glütserooli “selgroost” ning ühest, kahest või kolmest sellele kinnitunud rasvhappest Glütserool muudetakse Glütseeraldehüüd-fosfaadiks (GAP), mis sineneb vaheühendina glükolüüsi rajale Rasvhapped lagundatakse kahe-süsinikulisteks ühenditeks ning seejärel sünteesitakse neist atsetüül CoA. Kaheksa-süsinikuline rasvhape võib seega toota 4 atsetüül CoA-d Iga atsetüül CoA on väärt 12 ATP-d (3 NADP, 1 FADH2, 1 ATP) Seega 8C pikkune rasvhape on väärt 48 ATP-d, rasv, mis koosneb kolmest glütseroolile kinnitunud ahelast oleks seega väärt juba 144 ATP-d!

Alternatiivsed kasutusalad Glükolüüsi ja Krebsi tsüklisse sisenevatele molekulidele - Mitte kõik molekulid, mis sisenevad Glükolüüsi rajale ning Krebsi tsüklisse ei muudeta energiaks - Osa kasutatakse ka selleks, et sünteesida rasvu, nukleotiide, amino happeid ning teisi bioloogiliselt olulisi molekule

Huvitavaid loenguid ja videosid http://www.ted.com/index.php/talks/craig_venter_is_on_the_verge_of_creating_synthetic_life.html http://www.ted.com/index.php/talks/craig_venter_on_dna_and_the_sea.html http://www.ted.com/index.php/talks/juan_enriquez_on_genomics_and_our_future.html http://www.ted.com/index.php/talks/paul_rothemund_details_dna_folding.html http://www.ted.com/talks/lang/eng/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate.html http://www.ted.com/talks/james_watson_on_how_he_discovered_dna.html http://www.ted.com/talks/juan_enriquez_shares_mindboggling_new_science.html http://www.ted.com/talks/juan_enriquez_wants_to_grow_energy.html http://www.ted.com/talks/david_bolinsky_animates_a_cell.html http://www.ted.com/talks/paul_ewald_asks_can_we_domesticate_germs.html http://multimedia.mcb.harvard.edu/ http://www.youtube.com/watch?v=ENs82UV0IVE