Pärilikkus (4)

Ande Andekas-Lammutaja
Bioloogia – Pärilikkus
Pärilikkuseks nimetatakse looduse üldist seaduspärasust, mille kohaselt järglased sarnanevad ehituselt ja talitluselt vanematega. Geneetika on teadusharu , mis uurib organismide pärilikkuse ja muutlikkuse seaduspärasusi. Mittesuguliselt paljunevad organismid saavad alguse ühest vanemast ja võivad seetõttu olla temaga päriliku materjali poolest identsed. Ristviljastumisega sugulisel paljunemisel ühendab organism endas mõlema vanema tunnuseid. Genoomiks nimetatakse liigiomases ühekordses kromosoomikomplektis sisalduvat geneetilist materjali. Hulkrakse organismi keharakkudes on enamasti ühesugune arv kromosoome. Igas kromosoomis asuvad geenid määravad ära hulga tunnuseid. Genotüübiks nimetatakse ühele isendile omaste geenide ja nende erivormide kogumit. Fenotüübiks nimetatakse ühe isendi vaadeldavate tunnuste kogumit. Nad on omavahel sõltuvuses. Keskkond kas soodustab või pidurdab geenide poolt määratud tunnuste väljakujunemist. DNA molekuli struktuuri avastamine pani aluse molekulaargeneetikale (teadusharu, mis uurib pärilikkuse seaduspärasusi molekulaarsel tasandil). Oma uurimissuundades keskendub peamiselt replikatsioonile (eelneb raku jagunemisele, on matriitssüntees, mille tulemusena saadakse ühest DNA molekulist kaks ühesuguse nukleotiidse järjestusega DNA molekuli; on kõigis organismides toimuv universaalne molekulaargeneetiline protsess, mis tagab rakujagunemise käigus päriliku info võrdse ülekande lähterakust tütarrakkudesse), transkriptsioonile (matriitssüntees, mille käigus saadakse DNA molekuli ühe ahela nukleotiidse järjestusega komplementaarne (A=U. T=A, C=G, G=C) RNA molekul ; universaalne protsess, kuna toimub nii eel- kui päristuumsete organismide rakkudes) ja translatsioonile (sünteesitakse mRNA molekulide alusel vastava struktuuri ja funktsiooniga valgud ; mRNA esimest järku struktuur määrab sünteesitava valgu aminohappelise järjestuse, toimub geneetilise info lahtimõtestamine). Transkriptsiooni käigus sünteesitakse rakutuumas paikneva DNA struktuuri alusel mRNA (informatsiooni-RNA) molekulid, mis liiguvad tsütoplasmas asuvatesse ribosoomidesse. Seal toimub translatsioon , mille tulemusel saadakse mRNA nukleotiidsele järjestusele vastavad valgu molekulid, mis osalevad organismi kõigi tunnuste avaldumises . Tegu on matriitssünteesidega, mis tähendab, et DNA, RNA ja valgud sünteesitakse olemasolevate molekulide (DNA või RNA) alusel, mis määravad sünteesitavate molekulide monomeeride järjestuse. Geeniks nimetatakse DNA lõiku, mis määrab ära ühe RNA molekuli sünteesi. Pärilikud tunnused avalduvad paljude valkude koostoime tulemusena. Promootoriks nimetatakse DNA nukleotiidset järjestust, millega ensüüm sünteesi alustamiseks peab ühinema. Terminaatoriks nimetatakse DNA nukleotiidset järjestust, kus RNA süntees lõpeb. Kui mingilt geenilt toimub RNA süntees, siis öeldakse, et geen avaldub. Erinevused rakkude ehituses ja talitluses tulenevad geenidest , mis neis ühel või teisel ajahetkel avalduvad. Eraldatakse geene, mis avalduvad üheaegselt organismi kõigis rakkudes (rRNA, tRNA, ensüümid), geene, mis avalduvad vaid ühe kindla koe rakkudes (seostuvad vastavale koele iseloomulikud talitlused), geene, mis avalduvad rakkude elutegevuse kindlal etapil (nt. lootelise arengu alguses) ning geene, mis ei avaldu mitte kunagi (eellaste geenid). Geeni avaldumine sõltub RNA-d sünteesiva ensüümi (RNA-polümeraasi) seostumisest DNA promootorpiirkonnaga. Seda võib takistada mõni teine valk ( repressor ), mille seostumiskoht võib osaliselt või täielikult kattuda promootorpiirkonnaga. Osade geenide avaldumiseks on vaja erilist aktovaatorvalku. Mõningatel juhtudel on repressor- ja aktivaatorvalkude seostumiseks vaja regulaatoraineid (ainevahetuse produktid , toitained , vitamiinid ). Struktuurgeenid määravad raku ehituses ja ainevahetuses osalevate valkude, tRNA ja rRNA sünteesi, regulaatorgeenid kontrollivad struktuurgeenide avaldumist . Juba ühe ebaõige geeni avaldumine või rakule vajaliku geeni mitteavaldumine võib kaasa tuua suuri muutusi raku ehituses ja talitluses (nt. vähkkasvaja). Geneetiliseks koodiks nimetatakse vastavust, kui mRNA molekuli kolm järjestikkust nukleotiidi (nimetatakse koodoniks) määravad ära kindla aminohappe valgu molekulis. On suhteliselt universaalne, erandid on mitokondrites ja mõnedes protistides. Geneetilise koodi sünonüümsuseks nimetatakse seda, et ühele aminohappele (20) vastab mitu koodonit (64). Geneetilise koodi ühetähenduslikkus seisneb selles, et mitte kunagi ei vasta ühele koodonile mitu aminohapet. On mittekattuv (ükski mRNA nukleotiid ei kuulu kunagi samaaegselt kahe kõrvuti asetseva koodoni koostisesse). Koodi lahtimõtestamine toimub valgusünteesis koodonite kaupa. Initsiaatorkoodoniks on alati mRNA nukleotiidne järjestus AUG (Met), mis määrab ära ka järgnevate nukleotiidide jaotumise koodonitesse. Stoppkoodoniteks on kas UGA, UAA või UAG ja neile ei vasta ükski aminohape. Valgusüntees e. translatsioon toimub raku tsütoplasmas asuvates ribosoomides ning selleks on vaja mRNA ja tRNA molekule, aminohappeid , ensüüme ning ATP-d ja GTP-d. Algab mRNA ühinemisega ribosoomiga. Iga tRNA molekul seostub tsütoplasmas kindla aminohappega ja seostub siis komplementaarsusprintsiibi alusel mRNA molekuliga , alustades initsiaator-tRNAst. Antikoodoniks nimetatakse tRNA pealingu kolme nukleotiidi, mis on komplementaarsed mRNA koodoniga. Edasi sünteesitakse tRNA molekuli otste küljes olevate aminohapete vahele peptiidside, mis jääb viimasena ribosoomi sisenenud tRNA molekuli külge. Aminohappeta tRNA väljub ribosoomist. mRNA koos tRNA-ga nihkub ribosoomi suhtes edasi, millega luuakse võimalus uue tRNA pääsemiseks ribosoomi. Protsess kestab seni, kuni järg jõuab stoppkoodonini, millega seostub ensüüm lahutab mRNA, tRNA ja sünteesitud valgu. Translatsioon on universaalne protsess, mis toimub nii eel- kui päristuumsetes rakkudes. Siiski kulgeb valgusüntees erinevates organismides veidi erinevalt. Polüsoom on ühe mRNA molekuliga seotud ribosoomide kogum, milles sünteesitakse ühesuguse aminohappelise järjestusega valke. Transkriptsioon on valgusünteesi regulatsiooni esimene tasand. Teiseks võimaluseks on mRNA molekulide lagundamise kiirus (ribonukleoaaside abil).
Viirused on elusa ja eluta piirimail paiknevad bioloogilised objektid, mis koosnevad nukleiinhappest ja valkudest. Uute viirusosakeste tekkimine on alati seotud peremeesrakkudega. Bakteriofaagiks nimetatakse viirust, mille peremeesrakuks on bakter . Väljaspool peremeesrakke puuduvad viirustel elu tunnused, kuid nad sisaldavad DNA või RNA molekulides pärilikku infot. Viiruseosakesed on kas keraja , hulktahuka või silindrilise kujuga ( bakteriofaag jaguneb päiseks, kaeluseks, sabandiks ja kinnitusfibrillideks). Jagunevad DNA- (vaid üks DNA molekul) ja RNA-viirusteks (üks või mitu RNA molekuli). Peremeesrakust väljaspool ümbritseb iga viiruseosakese genoomi valguline kapsiid, mis annab viirustele iseloomuliku kuju. Mõnedel viirustel jääb väljapoole valkudest ja lipiididest koosnev ümbris, mis on enamasti moodustunud peremeesraku membraanist. Enamik valke on genoomi kaitseks, kuid osa aitab viiruseosakesel peremeesrakule kinnituda ja selle ümbriseid lagundada. Iga viiruse genoomis on replikatsiooni- (kindlustavad DNA või RNA paljunemise), regulaator- (korraldavad ümber peremeesrakkude ainevahetuse, tagades sellega uute viirusosakeste moodustamise) ja struktuurgeene (sisaldavad infot valkude sünteesiks; kapsiidis, ümbrises). Nii piisab kolmest geenist, kuid tavaliselt on neid rohkem. Viroidid on RNA rõngasmolekulid, mis paljunevad taimerakkudes ja põhjustavad taimehaigusi. Virusoidid on viirused, mis paljunevad ainult koos mõne teise viirusega. Priion on nakkuslik valk, mis põhjustab hullu lehma tõbe. Raku nakatamiseks peab viirus esmalt sellele kinnituma. Seejärel lagundatakse kinnitumiskohas rakukest ja membraan . Rakku sisestatakse DNA, milles paikneb info viirusele vajalike valkude sünteesiks. Seejärel sünteesitakse viiruse DNA alusel regulaatorvalke, mis korraldavad ümber bakteri ainevahetuse. Viirusele ebavajalike geenide transkriptsioon peatub. Paljunemisperioodil toimub viiruse genoomi korduv replikatsioon ja kapsiidivalkude süntees. Neist moodustuvad uued viirusosakesed , mis lõpuks lagundavad bakteri membraani ja kesta ning väljuvad ümbritsevasse keskkonda. Rakk hukkub. Viiruse lüütiliseks tsükliks nimetatakse paljunemisprotsessi, millega kaasneb peremeesraku hävinemine. Viiruse lüsogeenseks tsükliks nimetatakse paljunemisprotsessi, mille käigus peremeesraku kromosoomiga seostunud viiruse genoom koheselt ei avaldu (viiruse genoom lülitub peremeesraku kromosoomi koostisesse). Tingimuste muutumine võib aga põhjustada lüütilise tsükli. RNA- viirus talitleb peremeesrakku sattudes sarnaselt mRNA-ga (TMV) või tuleb esmalt peremeesrakus sünteesida viiruse RNA-ga komplementaarne DNA (HIV). Viiruste arvust ega päritolust pole ühtki kindlat tõendit. Nad on väljaspool peremeesrakku suhteliselt kaitsetud, kuid selle sees turvalises kohas. Viirused kui rakuparasiidid on nakatunud organismidele kahjulikud, põhjustades nende haigusi (põletikud, palavik ) ja tihti ka surma. Transduktsiooniks nimetatakse viiruste poolt teostatavat geenide ülekannet (lüsogeense tsükli puhul) ning see on üheks päriliku muutlikkuse allikaks. Taimerakke kaitseb viirusnakkuste eest rakukest ning välispinnale eritatavad lipiidid . Taimeviirused sisenevad rakku kas vigastuste kaudu või putukate abil. Nakatunud taime fotosüntees aeglustub, ainevahetus häirub ja kasv pidurdub. Enamik nüüdisajal inimestel massiliselt levivaid nakkushaigusi on viirustekkelised (DNA – rõuged, herpes , soolatüükad; RNA – gripp , marutaud , mumps , punetised , AIDS, hepatiit). Suur osa tõvestavaid viirusi kandub edasi õhu kaudu ja nakatumine toimub piisknakkuse teel (gripp, punetised, leetrid , herpes). AIDSI ja mõnda hepatiidi nakatutakse kas verega või sugulisel teel. Toiduga levivad lastehalvatus ja mõned hepatiidid . Loomad levitavad marutaudi ja ajukelmepõletikku. Suur osa viirusi on liigi- ja koespetsiifilised. Võitluseks bakterhaigustega on tõhusaks vahendiks antibiootikumid (keemilised ühendid, mis pidurdavad bakterite ainevahetust ja paljunemist, pärssides transkriptsiooni või translatsiooni). Viirushaigustest tervenemiseks peavad organismis moodustuma antikehad . Viirusi rakendatakse edukalt geenitehnoloogias . Paljude haiguste põhjused on geneetilised (vastav geen pärilikkuse või tekkinud põhjusel kas puudub või on vigane ). Seda saab ravida normaalse geeni viimisega haige organismi (selleks konstrueeritakse viirus, mille genoomi on sisse viidud vajalik geen, kasutades selleks lüsogeenseid DNA-viirusi ning viiakse seejärel inimorganismi, millele järgneval transkriptsioonil ja translatsioonil saadakse organismile vajalik valk). Seda ravimeetodit nimetatakse geeniteraapiaks.