Molekulaarbioloogia konspekt (1)

1
Õppevahend: Molekulaarbioloogia üldkursuse lühikonspekt
Põhiline õpik on B. Lewin “ Genes ” V ja VI väljaanne, edasises tekstis on viiteid Genes
VI joonistele (kui pole eraldi märgitud) ja üksikutel teemadel detailsematele
materjalidele. Kursiivis on esitatud lõigud, mis on mõeldud täindavaks lugemiseks aga
ei ole “kohustuslikud”.
Sissejuhatus
Molekulaarbioloogia on termin, mis võeti kasutusele selle sajandi teisel
poolel peale esimeste makromolekulide ruumilise struktuuri kindlakstegemist. Esialgu
tähistaski see termin just struktuurset bioloogiat molekulaarsel tasemel. Seega on
molekulaarbioloogia oma algses tähenduses keemia ja füüsika meetodeid kasutav
bioloogia osa, mis tegeleb bioloogiliste makromolekulide ruumilise struktuuri ja
struktuuri ning funktsiooni vaheliste seoste kindlakstegemisega. Hiljem, kui sama
teaduse piirid on ähmastunud seoses teadmiste laienemisega ja uute probleemide
kerkimisega, on kasutusele võetud termin - molekulaargeneetika. Sisulist vahet nende
kahe termini vahele ei ole. Molekulaarbioloogia (või molekulaargeneetika) tegeleb
päriliku informatsiooni kodeerimise, säilitamise ja ülekande mehhanismide uurimisega,
aga samuti päriliku informatsiooni realiseerumise molekulaarsete mehhanismidega st.
kuidas geenides sisalduv informatsioon määrab elusorganismide ehituse ja nende
funktsioneerimise . Seejuures ongi molekulaarbioloogia üks keskseid probleeme
füüsikalis-keemiliste struktuuride ja biokeemilis-füsioloogiliste funktsioonide
vastavuse uurimine . Molekulaarbioloogia sündi on kirjeldanud J. Watson oma raamtus
“ Double helix ” (e. k. Kaksikspiraal, “Loomingu” Raamatukogu, 1972). DNA on ilus
näide selle kohta kuidas makromolekuli struktuuri tundmaõppimine lõi eelduse pärilike
protsesside - geneetilise informatsiooni säilitamise ja paljundamise
kindlakstegemiseks. Just DNA komemõõtmelise struktuuri kindlakstegemine pani aluse
molekulaarbioloogiale.
1. Molekulaarbioloogia dimensioon
Molekulaarbioloogia on suures osas struktuurne teadus, mis tegeleb
bioloogiliste makromolekulide ja nende funktsionaalsete komplekside struktuuriga ja
uurib nende struktuuride tekke füüsikalis-keemilisi aluseid. See osa
molekulaarbioloogiast on analoogiline anatoomiale, ainult et molekulaarbioloogia
tegeleb molekulide ehitusega ja seega mikromaailmaga. Kovalentse keemilise sideme
pikkus on keskmiselt 1,4 Å (ongströmi, 1 Å = 10-10 meetrit). Sellest piirist väiksemate
suurustega molekulaarbioloogia reeglina ei tegele. Suuremad makromolekulide
kompleksid on kuni 300 Å läbimõõduga, mis on enamasti molekulaarbioogia ülemine
piir. Suuremate struktuuridega tegeleb juba rakubioloogia .
Järelikult on molekulaarbioloogia dimensioon ühest kuni mõnesaja ongströmini ehk
10-10 - 3·10-8 meetrit.
 Mõned näited:
kaheahelaline DNA ja kaheahelaline RNA, biheeliksi (kaksikspiraali) diameeter - 20 Å
keskmine  globulaarne valk, molekulmassiga 50 000 daltonit, diameeter - 50 Å
bakteriaalne RNA polümeraas (koosneb neljast globulaarsest valgust) molekulmassiga
500 000 daltonit, dimensioonid 90x90x160 Å
nukleosoom (DNA valkudega pakitud struktuuriüksus kromosoomides), molekulmassiga
300 000 daltonit, dimensioonid 60x110x110 Å
2
bakteriaalne ribosoom , molekulmass 2,5 megadaltonit, dimensioonid 200x200x230 Å
Rakubioloogia väiksemad uurimisobjektid on näiteks tuumapoorid, molekulmassiga
100 megadaltonit ja dimensioonidega 120x120x75 nm (1 nm = 10 Å).
Teine osa molekulaarbioloogiast sarnaneb füsioloogiale ja tegeleb vastavalt
molekulide funktsioonidega ja omavaheliste seostega. Nii nagu füsioloogiat ei saa
mõista ilma anatoomiat tundmata, ei saa ka molekulide funktsioone uurida ilma nende
struktuuri tundmata. Molekulaarbioloogia põhiline ülesanne ongi tundma õppida
molekulide “anatoomiat” ja “füsioloogiat” ehk nende struktuure ja funktsioone ja eriti
struktuuri ning funktsiooni vahelisi seoseid .
2. Molekulaarbioloogia põhidogma
Geneetilise informatsiooni ülekande suunda DNA ↔ RNA → valk nimetatakse
oma keskse tähtsuse tõttu molekulaarbioloogia põhidogmaks. Kuni 1969. aastani oli
molekulaarbioloogia põhidogma DNA → RNA → valk. 1969. aastal avastati uus
ensüüm - RNA-sõtuv DNA polümeraas ehk pöördtranskriptaas ehk revertaas, mis
katalüüsib DNA sünteesi RNA matriitsilt ja seega sai selgeks, et DNA’d sünteesitakse
nii DNA kui RNA alusel. Revertaas leiti esialgu imetajate RNA viirustest
(retroviirustestest), aga hiljem selgus, et see ensüüm on looduses väga laialt levinud nii
eu- kui prokarüootides.
Geneetilise informatsiooni ülekande kolm põhilist protsessi on:
1. Replikatsioon  - päriliku materjali (mis võib olla nii DNA kui RNA)
kahekordistumine. Elusorganismide geneetiline informatsioon on säilitatud
kaheahelalise DNA kujul. Erandi moodustavad mõned RNA viirused , mille geneetilise
materjali kandjaks on RNA. RNA viiruste puhul on replikatsioon RNA
kahekordistumine. Ülejäänud organismidel on replikatsioon DNA kahekordistumine.
Replikatsioon on DNA süntees. DNA süntees toimub liskas replikatsioonile veel
rekombinatsiooni ja reparatsiooni käigus. Teiselt poolt on replikatsioon laiem mõiste
kui DNA süntees hõlmates ka RNA praimeri sünteesi, DNA ja kromosoomi struktuuri
muutusi ja replikatsiooni regulatsiooni. DNA sünteesi viib läbi ensüüm - DNA-sõltuv
DNA polümeraas, kusjuures substraatideks on desoksü- nukleosiid 5’-trifosfaadid.
2. Transkriptsioon  - RNA süntees. Transkriptsioon tähendab mahakirjutamist ja
tähistab molekulaarbioloogias RNA sünteesi DNA matriitsi alusel. RNA sünteesi
regulatsioon on geeni aktiivsuse regulatsiooni põhiline tase. Seega on transkriptsiooni
regulatsioon väga oluline makromolekulide sünteesi kontrollmehhanism.
Transkriptsiooni viib läbi DNA-sõltuv RNA polümeraas. RNA polümeraase on väga
palju erinevaid tüüpe. Eukarüootides on kolm erinevat RNA polümeraasi, mis
sünteesivad erinevaid RNA molekule. RNA sünteesil on substraatideks (ribo-)
nukleosiid 5’-trifosfaatidest. Sünteesitud RNA ahel vastab üks-üheselt temaga
antiparalleelsele DNA matriitsahelale komplementaarsusprintsiibi alusel. RNA
järjestusega identset DNA ahelat nimetatakse kodeerivaks ahelaks. RNA sünteesi
käigus toimub DNA ahelate lahtiharutamine. Algne DNA struktuur taastub peale
transkriptsiooni lõppu. Transkriptsiooniga on seotud RNA protsessing ja
modifitseerimine.
3. Translatsioon  - valgu biosüntees. Translatsioon tähendab tõlkimist.
Molekulaarbioloogias tähendab translatsioon RNA (seega ka DNA) nukleotiidse
järjestuse tõlkimist valkude aminohappeliseks järjestuseks. Valkude sünteesiks
vajalikku geneetilist informatsiooni kannab mRNA (matriits- ehk informatsiooniline -
RNA). Valgu biosünteesi viib läbi ribosoom - RNA’st ja valkudest koosnev organoid .
3
Aminohapped seatakse ribosoomi abil vastavusse mRNA’s sisalduva geneetilise
informatsiooniga tRNA (transport-RNA) vahendusel. Aminohappe sidumine vastava
spetsiifilise tRNA molekuliga toimub ensüümide - aminoatsüül-tRNA süntetaaside ehk
aminoatsüül-tRNA ligaaside (ARS e. ARL) vahendusel. Aminoatsüül-tRNA (aa-tRNA)
süntees on valgu biosünteesi esimene, preribosomaalne etapp. Ribosoomides, kus
toimub valgusünteesi teine ehk ribosomaalne etapp, seatakse vastavusse mRNA’s
paiknev kolmest järjestikusest nukleotiidist koosnev  koodon  tRNA’s sisalduva
antikoodoniga. Ribosoom sünteesib tRNA küljes olevate aminohapete vahele
peptiidsideme. Kasvav peptiidahel on sünteesi käigus tRNA’ga kovalentselt seotud.
Valgu biosünteesil osalevad veel paljud valgulised faktorid , ATP ja GTP ning veel
mitmed molekulid, mida käsitleme valgusünteesi peatükis. Valkude ruumilise struktuuri
moodustumine toimub nii translatsiooni käigus kui peale seda. Valgud viiakse
organismis vajalikesse kohtadesse  valkude transpordi teel.
Geen - pärilikkuse ühik. DNA lõik, mis kodeerib eralduvat produkti
RNA genoomide puhul RNA lõik.
Eraldub produkt võib olla nii RNA kui valk. Algselt sünteesitakse valkude puhul
mRNA, mis aga ei ole info ülekande mõttes lõplik produkt. mRNA alusel sünteesitakse
valk.
DNA kodeerib eelkõige iseennast , aga see ei ole eralduv produkt, kuna jääb DNA
poolkonservatiivse replikatsiooni tõttu matriitsahelaga seotuks.
Geenid on kodeeritud ühe ahela poolt ja vastasahel kodeerimisel ei osale. Pikema
DNA lõigu ulatuses võivad siiski mõlemad ahelad kodeerida, osa geene paikneb ühel
ja osa teisel ahelal.
Geenid on DNA nukleotiidsed järjestused ja koosnevad mitmetest osadest:
-regulaatorpiirkonnad, mis paiknevad tavaliselt geeni alguses, aga võivad asetseda ka
geeni sees või osaliselt väljaspool geeni, geenist endast kaugel. Regulaatoralade hulka
kuuluvad ka terminaatorjärjestused, mis määravad RNA sünteesi lõpetamise.
- kodeeriva osa, millelt sünteesitakse RNA.
-nn., struktuurne osa mis vastab produktis sisalduvale pärilikule infole. Kuna peale
RNA sünteesi läbib RNA protsessingu, mille käigus osa järjestustest eemaldatakse, siis
ei satu kogu DNA kodeeriv osa produkti.
Prokarüootide geenid on tavaliselt pidevad , DNA järjestuse struktuurne osa paikneb
pideva järjestusena ja kopeeritakse produkti. Prokarüootsed geenid on enamasti
organiseeritud operonidesse, milles on mitut produkti kodeerivad järjestused ühise
regulaatori kontrolli all.
Eukarüootide geenid on enamasti katkendlikud, sisaldavad introne ja eksone. Geeni
primaarne produkt mRNA, läbib splaissingu, mille käigus osa RNA järjestusest
eemaldatakse. Intronid eemaldatakse. Eksonid jäävad alles ja nende ühendamise
(splaissingu) tulemusel tekib küps mRNA. (Inton- ekson skeem)
Ka küpses mRNA's on mittekodeerivad järjestused, nn liider ja treiler vastavalt mRNA
alguses (5' osas) ja lõpus (3' osas).
Ka ühe geeni intronid võivad kodeerida produkte, nn. intron kodeeritud produktid . Siia
kuuluvad mitmed väikesed RNA molekulid (snoRNA).
Imetajate geenides on paljude eksonite ühendamine võimalik mitmel erineval viisil,
mõned intronid on võimalik välja jätta. See protsess on alternatiivne splaissing , mille
4
puhul on ühel geenil mitu võimalikku produkti. Seega geenid ei ole alati
ühetähenduslikud.
Funktsionaalselt on geenid struktuursed ja regulaatorgeenid : struktuurgeenid kodeerivad
valke ja RNA molekule, mis viivad läbi rakkudes eluprotsesse. Regulaatorgeenide
poolt kodeeritud produktid, mis võivad samuti olla nii RNA kui valgulised,
reguleerivad teiste geenide avaldumist .
Eriline geenide rühm on nn. koduhoidjad geenid (housekeeping), mis avalduvad
hulkraksetes organismides igas rakus ja ainuraksetes organismides avalduvad nad
konstitutiivselt st. pidevalt (kui organism ei ole stressis ja geenid represseeritud).
Koduhoijatel geenidel on eriline struktuur, nende 5' osas paikneb oligopürimidiin
järjestus nn. TOP geenid. Just TOP geenide intronites on sageli veel teisigi kodeerivaid
järjestusi, mis samuti kuuluvad koduhoidjate geenide hulka. See on omamoodi geenide
kattumine, kus informatsioon küll füüsiliselt ei kattu. Siiski on mõlema geeni produktid
reguleeritud ühise kontrolljärjestuse poolt.
Geenide kattumine esineb väga ulatuslikult prokarüootides, esineb nii mRNA tasemel
geeni kattumist (siin on oluline lugemisraam , mida käsitleme lähemalt geneetilise koodi
juures) kui DNA tasemel kattumist, mis viib erinevate mRNA molekulide sünteesile.
Eriti oluline on geenide kattumine viiruste juures (parasiteerivad molekulid aga siiski
mikro -organismid).
DNA järjestuste võrdlemine:
4st nukleotiidist koosnevate DNA järjestuste võrdlemisel on igas positsioonis iga
nukleotiidi formaalne tõenäosus 25% ja seega on minimaalne kahe järjestuse vaheline
homoloogia st. homoloogia puudumine 25%. Järjestuse homoloogia alusel jagatakse
geenid perekondadesse ja superperekondadesse.
Geenid jagatakse järjestuse ja funktsiooni sarnasuse alusel Homoloogideks - järjestus
homoloogiline ja funktsioon sarnane, paraloogideks - järjestus homoloogiline,
funktsioon erinev ja ortoloogideks.
Tuleb teha vahet DNA homoloogia geeni homoloogia vahel.
Tüüpiline paraloogsete geenide näide on pseudogeenid , mis moodustavad suure osa
hulkraksete genoomidest.
Geenide võrdlemisel on oluline osa mitte kogu järjestuse globaalsel homoloogial vaid
lõikude leidmisel, mis on suure homoloogiaga. Eriti olulised on sellised kõrge
homoloogiaga lõigud valgu geenide võrdlemisel. Valkudes on järjestuse motiivid,
perekondade piires konserveerunud järjestuse elemendid, mis sageli koosnevad
lühikestest lõikudest, aga need lõigud peavad olema kindals järjestuses. Näiteks DEAD
motiiv on omane RNA (ja vahel ka DNA helikaasidele). Järjestuse võrdlemise alusel
on võimalik tundmatu funktsiooniga geenile ennustada tema produkti võimalikku
funktsiooni. Siit tuleneb pööratud geneetika . Tavaline geneetika otsib mutatsioone
funktsiooni muutuse kaudu, siis pööratrud geneetika otsib funktsiooni muutust järjestuse
muutmise tulemusel. Teiselt poolt otsib ta funktsioone olemasolevatele järjestustele.
DNA järjestuste võrdlemine on aluseks molekulaarsele evoltusiooniteooriale. Näiteks
tuleb tuua eksonid, mis ei varieeru kuigi suures ulatuses ja intronid, mis on suure
järjestuse varieeruvusega. Oletatavasti hoiab eksonite järjestusi varieerumast looduslik
valik.
5
I Bioloogiliste makromolekulide struktuur ja seda mõjutavad jõud
Geneetiliselt kodeeritud makromolekulid ( nukleiinhapped ja valgud) on polümeerid,
mis koosnevad suhteliselt väikesest arvust monomeeridest. Monomeerid sisaldavad
identset osa, mis omavahel ühendatuna moodustavad polümeeri selgroo . Viimase
küljest hargnevad monomeeride külgahelad. Geneetiliselt on kodeeritud
biopolümeeride monomeeride järjestus ehk primaarstruktuur . Samast järjestusest võib
moodustuda mitu erinevat ruumilist struktuuri ( sekundaar - ja tertsiaarstruktuuri
tasemel). Praeguste teadmiste juures ei ole veel võimalik täpselt ennustada valkude
(aga ka RNA) ruumilist struktuuri tuginedes üksnes nende primaarstruktuurile. Mitme
valgu puhul on ka teada, et nad võivad looduses eksisteerida mitmes erinevas ruumilise
struktuuri vormis (kuigi primaarstuktuur on sama).
I 1. Valkude struktuur
 Valgud koosnevad 20+1 kodeeritud aminohappest. +1 tähistab siin selenotsüsteiini
(Sec), mis esineb vaid vähestes valkudes ja on kodeeritus UGA koodoniga, mis
tavaliselt on stop-koodon (vt. valgusünteesi peatükk). Lisaks kodeeritud aminohapetele
esinevad valkudes veel mitmed aminohapped, mis lisatakse peale valguahela sünteesi
ribosoomides (post-translatsioonilised modifikatsioonid). Siia kuuluvad
modifitseetitud aminohapped nagu hüdroksüproliin ja atsetüleeritud aminohapped.
Paljude valkudega on ühendatud suhkrujäägid (vt. valkude glükosüleerimine) või
fosforhappe jäägid (valkude fosforüleerimine). Aminohapped on omavahel ühendatud
peptiidsideme abil. Peptiidside on amiidsideme vorm, mis moodustub α-amiknohapete
vahel. α-aminohapetel on amino- ja karboksüülrühm ühedatud sama süsinuku aatomi
(α-süsiniku) külge. Valguahel moodustub α-süsinike ja peptiidsidemete abil, kus α-
süsinike küljest hargnevad aminhapete külgahelad (joon 1.7). Valguahela otsad on
erinevad - ahela alguses (otsas millest valgusüntees algab) on valgu selgrool
aminogrupp (-NH2) ja ahela lõpus on karboksüülrühm (-COOH). Vastavalt nimetatakse
valguahela algust N-terminuseks e. amino-otsaks ja lõppu C-terminuseks e. karboksüül-
otsaks. Aminohapped on erinevate keemiliste omadustega erinevate külgahelate tõttu.
Erinevad aminohapped seonduvad omavahel lisaks peptiidsidemetele, mis moodustab
valgu selgroo, ka erinevate keemiliste sidemete varal , mille abil moodustub valgu
ruumiline struktuur. Eriline tähtsus on siinjuures vesiniksidemetel (H - sidemed).
Peptiidsidemes on olemas nii H - sideme doonor kui aktseptor , mis osalevad valgu
sekundaarstruktuuri moodustamisel. Väga olulised valkude ruumilise struktuuri tekkel
on tsüsteiinjääkidel, mis moodustavad stabiilseid disulfiidsidemeid ja nende abil
hoitakse valgu ruumiline struktuur stabiilsena.
Aminohapped jaotuvad mitmesse klassi vastaval oma keemilisele koostisele ja
omadustele. Siinkohal nimetan ainult klassid vastavalt laengule, mis on olulised
valkude ruumilise struktuuri tekkel:
Laetud aminohapped e. hüdrofiilsed aminohapped, mis jagunevad omakorda
happelisteks ja aluselisteks vastavalt külgahela laengule. Laetud aminohapped
osalevad valgu seondumisel teiste molekulidega ja nad on enamasti valgu ruumilises
struktuuris väljaspool.
Apolaarsed e. hüdrofoobsed aminohapped, mis ei sisalda laetud rühmi ja on seega
hüdrofoobsed e. vett tõrjuvad. Need aminohapped on sageli valgu ruumilises
struktuuris sisemuses, olles üksteise läheduses ja tõrjudes vett eemale.
Valmis valkudele lisatakse sageli mitmesugusei rühmi (sünteesijärgsed
modifikatsioonid), mille tulemusena tekivad modifitseeritud e. mittekodeeritud
6
aminohapped. Olulisemad modifikatsioonid on fosforüleerimine (foforhappe jäägi
lisamine), atsetüleerimine (NH2 rühmale äädikhappe jäägi lsamine amiidsideme abil,
esineb sageli N-terminaalselt ja lüsiinidel), metüleerimine ja glükosüleerimine
(suhkrujääkide lisamine OH ja NH2 rühmadele). Lisaks on veel mitmeid post-
translatsioonilisi (sünteesijärgseid) modifikatsioone, näiteks proliini
hüdroksüleerimine, mille tagajärjel tekib hüdroksü- proliin (esineb suure sagedusega
kollageenis). Modifitseeritud aminohapped esinevad enamsti valgu pinnal. Eriti sageli
on modifitseeritud need valgud, mis on raku pinnal või lahustuvad rakkudevahelises
ruumis st. on kättesaadavad teistele molekulidele. Modifikatsioonid kaitsevad valke
lagundamise eest, osalevad rakusiseste signaalide ülekandel (vt. signaali ülekanne ja
rakutsükli regulatsioon), moodustavad raku pinnamarkereid ja on olulised valkude
aktiivsuse regulatsioonil.
Valkude ruuminilne sruktuur sõltub ümbritsevast keskkonnast. Vee keskkonnas
surutakse hüdrofoobsed aminohapped valgu südamikku ja väljapoole jäävad
hüdrofiilsed (laetud) aminohapped. Vee molekulid on omavahel seotud
vesiniksidemetega. Nende sidemete eluiga on lühike (üks side püsib ligikaudu10-9
sek.). Sellegipoolest on suurem osa vee molekule igal ajahetkel omavahel
vesiniksidemetega seotud. Vee keskkonna struktuur ( vesiniksidemete moodustamise
võime) suunab valkude struktuuri teket ja püsimist. Valgu sekundaarstruktuur
moodustub samuti vesiniksidemete varal. Sekundaarstruktuuri moodustavd H-sidemed
tekivad valgu selgroo peptiidsidemete amino- ja karboksüülrühmade vahel. Valkude
sekundaarstruktuuri põhilised elemendid on α- heeliks ja β-kiht (lamepoogen) vt.
joonised 1.18 ja 1.19
Aminohapete külgahelate omavahelise seondumise tulemusena tekib valkude
tertsiaarstruktuur. Tertsiaarne struktuur on igale valgule spetsiifiline. Kindel
ruumiline struktuur on valkude bioloogilise funktsioneerimise alus. Kuna valgud
koosnevad paljudest erinevatest aminohapetest, siis on ka nende ruumiline struktuur
väga mitmekesine . Eraldiseisvaid ruumilise struktuuri elemente nimetatakse struktuuri
motiivideks. Ruumilise struktuuri motiivid sisaldavad sageli sarnaseid aminohappe
järjestusi - järjestuse ehk primaarstruktuuri motiive . Ühesuguste biokeemiliste
funktsioonide läbiviimine põhineb enamasti sarnastel ruumilise struktuuri motiividel.
Näiteks sisaldavad kõik tuntud guanosiin-nukleotiidi siduvad valgud 4-6
antiparallelsest β- kihist ja 1-3 nendega risti olevast  α-heeliksist koosnevast domäänist,
mis on G-nukleotiidi sidumise motiiv. See motiiv moodustab valgu ühe domääni. Valgu
struktuurne domään on suhteliselt iseseisva struktuuri ja funktsiooniga üksus, mis
moodustub pidevast järjestusest. Valgu struktuursed domäänid kannavad ka kindlaid
funktsioone. Struktuurse domääni ja struktuurse motiivi kattumine on pigem erand kui
reegel. Motiiv on üldjuhul domääni osa. Näiteks võib tuua kahe-ahelalise
nukleiinhappega seondumise motiivid: heeliks- ling -heelis (helix-loop-helix), heeliks
pööre-heeliks (helix- turn -helix), positiivselt laetud α-heeliks, Zn-sõrm ja mitmed
teised. Need on kõik erinevad struktuursed motiivid, mis aga ei moodusta iseseisvaid
domääne.
Biokeemilisi funktsioone viivad läbi enamasti mitmest polüpeptiidist koosnevad valgu
kompleksid. Enamus ensüüme koosnevad kas mitmest subühikust või esinevad
multiensüüm-kompleksidena. Sellised funktsionaalsed kompleksid tekivad valkude
omavahelise seondumise tulemusena ja seda struktuuritasandit nimetatakse ka valgu
kvaternaarseks struktuuriks. Valkude omavaheline seondumine põhineb aminohapete
külgahelate interaktsioonidel, nii nagu valgu domäänide omavaheline seonduminegi.
7
Valkude ruumilist struktuuri on uuritud suure eduga juba ligi pool sajandit. Väga
paljude (üle 1000) valkude ruumiline struktuur on teada atomaarsel tasemel
kasutades kristalliseeritud valkude uurimist röntgenkiirte hajumise ja lahustunud
valkude analüüsi tuumamagnet resonantsi abil. Need andmed võimaldavad mõista
valkude struktuuri tagavaid jõude ja struktuurse dünaamika ning struktuuri
stabiilsust määravaid tegureid. Samas on aga valgu ruumilise struktuuri
ennustamine primaarastruktuuri järgi jäänud suurel määral fenomenoloogilisele
tasemele . Kõige tulemuslikum meetod valkude ruumilise struktuuri ennustamiseks
primaarstruktuuri alusel põhineb primaarstruktuuri homoloogia otsingul mõne juba
tuntud ruumilise struktuuriga valguga. Kui primaarstruktuurid on piisavalt
homoloogsed , siis võib suure tõenäosusega oletada, et ka ruumilised struktuurid on
sarnased. Valkude ruumilise struktuuri ennustamine on väga oluline probleem nende
omaduste mõistmisel ja seega bioloogilistest protsessidest arusaamisel . Tänapäeval
on küllalt lihtne kindlaks teha DNA järjestust. Terve inimese genoomi järjestuse
määramine on mõne lähema aasta küsimus. Seega on peagi vähemalt teoreetiliselt
võimalik ennustada kõigi inimorganismis leiduvate valkude primaarstruktuuri. Kuigi
ka see probleem võib mõnel juhul osutuda väga komplitseerituks nagu edaspidi
näeme, saab enamuse valkude järjestust ennustada. Valkude omaduste ja
funktsioonide mõistmiseks oleks aga vajalik ennustada valkude ruumilist struktuuri.
Ruumilse struktuuri ennustamine on võimalik aga ainult neil valkudel, mille
homoloogi jaoks on see juba teada. Veelgi keerulisem probleem on valgu funktsiooni
ennustamine järjestuse alusel. See on küsimus struktuuri ja funktsiooni vahekorrast.
Valkude puhul oleme paraku struktuuri ja funktsiooni seoste mõistmisel üksikute
valkude kirjeldamise tasemel. Küsimusele, millised on valkude struktuuri ja
funktsiooni vahelise sõltuvuse üldised printsiibid ja kas neid üldse olemas on, ei ole
praeguse teadmiste taseme juures veel võimalik täpselt vastata. On küll selge, et
valgulistel ensüümidel on eraldi struktuurne domään ensümaatilise reaktsiooni
läbiviimiseks - aktiivtsenter. Teades ainult valgu aminohappelist järjestust on
aktiivtsentri asukohta valgus ja selle poolt katalüüsitavat reaktsiooni seni võimalik
ennustada vaid homoloogia põhjal.
I 1.a.Valgu struktuuri tekkimine sünteesi käigus
Valgud sünteesitakse vastavalt mRNA programmile ribosoomides. Enamusel valkudest
tekib funktsionaalne struktuur juba sünteesi käigus ja see protsess toimub väga kiiresti
(alla 1 min.). Siinjuures on oluline millises keskonnas toimub valgu süntees. Paljud
valgud sünteesitaks membraanseoseliste ribosoomide poolt nii, et valk satub peale
sünteesi kohe membraani ja sel juhul toimub valgu struktuuri teke (järjestuse voltumine)
membraanis. Membraanis on tegemist hüdrofoobse keskkonnaga, mis aitab tekitada
spetsiifilisel valgu konformatsioonil. Teised valgud aga sünteesitakse vabade
ribosoomide poolt ja nad satuvad peale sünteesi tsütoplasmasse vee keskonda
(hüdrofiilne keskkond), mis ei jäta oma mõju avaldamata valgu voltumisele ja sel juhul
tekib teistsugune valgu ruumiline struktuur. Valkude struktuuri teke ei toimu siiski ainult
keskonna toimel n.ö. iseenese tarkusest. Valgu struktuuri teket sünteesi käigus ja selle
järgselt suunavad erilised valgud - molekulaarsed ‘ chaperonid ’ e. ’lapsehoidjad’.
Need valgud võtavad sünteesitava polüpeptiid juba ribosoomis oma rüppe ja aitavad
valgu struktuuri tekkimisele kaasa või takistavad lõpliku ruumilise struktuuri teket enne
kui valk on viidud oma lõplikule kohale rakus. Chaperonid suunavad enamuse valkude
voltumist sünteesi käigus. Mõnede (peamiselt väiksemate, alla 150 aminohappe jäägist
koosnevate) valkude ruumiline struktuur tekib iseeneset sünteesi käigus ja ei vaja
8
lisafaktoreid. Sel juhul on kogu ruumilse struktuuri tekkeks vajalik informatsioon
olemas valgu primaarstruktuuris. Üks hästiuuritud näide on ribonukleaas A (RNaas A).
Kui RNaas A molekul denatureerida st. lõhkuda tema ruumiline struktuur kas
kuumutamise või keemiliste ainetega, siis jääb valguahela primaarstruktuur
muutumatuks ja lagunevad ainult nõrgad sidemed, mis hoiavad valgu ruumilist
struktuuri. Sobivates keskonnatingimustes tema aktiivne konformatsioon taastub. Seda
protsessi nimetatakse valgu renatureeumiseks. Mõnede valkude renatureerimiseks on
vajalikud kofaktorid, valgu ligandid, mis stabiliseerivad tema ruumilst struktuuri.
Sellised kofaktorid võivad olla näiteks metalli ioonid , mis moodustavad valgu
struktuuris koordinatiivseid sidemeid . Renatureerimine on aeglane protsess võrreldes
valgusünteesi käigus toimuva struktuuri tekkega. Renatureerumist kiirendavad mitmed
ensüümid (valgu disulfiid isomeraas , peptidüül-prolüül isomeraasid), mis kiirendavad
disulfiidsidemete vahetust või proliini konformatsiooni muutust. Need reaktsioonid on
iseenesest väga aeglased ja vajavad seepärast kiirendamist (proliini isomerisatsioon
joonisel 1.9). Valkude renatureerimist kiirendavad ka eelnimetatud molekulaarsed
‘lapsehoidjad’ (chaperonid). Chaperonid on väga suur molekulide klass, millest osa
toimivad valgusünteesi käigus, teised osalevad valgu transpordil ja hoiavad ära lõpliku
struktuuri tekke, kolmandad aga osalevad valkude renatureerimisel. Viimaste hulka
kuulub Hsp 60 ( heat  shock  protein nn. kuumaehmatuse valk) valkude perekond
( bakterites GroE), mis koosneb 14st 60 kDa molekulmassiga subühikust. Hsp 60
moodustab toru, millesse siseneb denatureeritud valk, kus ta ATP hüdrolüüsi abil lahti
harutatakse ja seejärel tema aktiivne struktuur taastatakse. Kuna temperatuuri tõusuga
kaasneb paljude valkude ruumilise struktuuri muutus ja seega ka füsioloogilise
aktiivsuse kadu, siis on kuumaehmatuse valgud vajalikud rakkude temperatuuritaluvuse
tagamiseks. Seega on valkude ruumilise struktuuri tekkimiseks mitmeid erinevaid teid:
kotranslatsiooniline (valgu sünteesi käigus), lokalisatsioonist sõltuv (peale transporti
raku kompartementi), iseeneslik ja ümbervoltumine (molekulaarsete ‘lapsehoidjate’
poolt suunatav struktuuri muutus).
I 2. Nukleiinhapete struktuur
Nukleiinhapete struktuur on bioloogiliselt väga oluline. Nende struktuur on
nukleiinhapete funktsioneerimise aluseks. Kuna nukleiinhapped on päriliku
informatsiooni kandjad , siis on geneetilise teabe ülekande ja säilitamise mõistmiseks
vaja tunda nukleiinhapete ehitust. Päriliku informatsiooni füüsikaline olemus on peidus
DNA kaksiheeliksis.
Nukleiinhapped koosnevad nukleotiididest ja viimased omakorda kolmest
komponendist: suhkur, lämmastikalus ja fosfaatjääk. Kaks looduslikku nukleiinhappe
liiki - desoksüribo- (DNA) ja ribonukleiinhape (RNA) erinevad omavahel suhkrujäägi
poolest. DNA sisaldab desoksüriboosi ja RNA riboosi . Sarnaselt valkudega koosnevad
nukleiinhapped selgroost, mis on ühesuguse lüli kordus, ja külgahelatest.
Nukleiinhappe selgroo moodustavad suhkrujääk ja fosfaatjääk (joonis 1.5).
Suhkrujäägid on seotud fosfaatidega fosfodiestersidemete abil. Nukleiinhapete
külgahelateks on lämmastikalused (joonised 4.4 ja 4.5). Nukleiinhappe monomeer on
nukleotiid , mis koosneb ühest suhkrujäägist, lämmastikalusest ja fosfaatjäägist
(lämmastikaluseid ja fosfaatjääke võib nukleotiidis olla mitu nagu näiteks ATP või
NADP). Suhkrujääk koos lämmastikalusega moodustavad nukleosiidi. Kuna suhkur ja
fosfaat on kõigil nukleotiididel samad (suhkur võib olla kas riboos või desoksüriboos),
siis nimetatakse nukleosiide ja nukleotiide lämmastikaluste järgi (vt. tabel 4.1)
Tabel 4.1
N-alus
nukleosiid
nukleotiid
nukleotiidi lühend
9
RNA
DNA
adeniin