Raku- ja molekulaarbioloogia (0)

Raku- ja molekulaarbioloogia

Kõik elusorganismid on:
Rakulise ehitusega
Rakk on kõige lihtsam ehituslik ja talitluslik üksus, millel on kõik elu omadused. Viirused jäävad elusa ja elutu piirile, sest enamus elu omadusi neil puudub.
Keerukama organiseeritusega, kui eluta objektid
Juba keemilised ühendid, millest elusolendid koosnevad, on keerukamad ja mitmekesisemad, kui eluta looduses. Elusloodus on ka mitmetasemelise organiseeritusega: biomolekulid, rakud , organismid, liigid ja ökosüsteemid.
Väliskeskkonnaga seotud aine ja energiavahetuse kaudu
Taimed kasutavad orgaanilise aine (glükoosi) sünteesiks anorgaanilisi ühendeid ja päikeseenergiat – autotroofid. Toimub valgusenergia muundamine orgaanilise aine keemiliste sidemete energiaks. Loomorganismid vajavad toiduks valmis orgaanilisi aineid – heterotroofid . Ükski loomorganism ei saa oma rakkude ülesehitamiseks otseselt kasutada sissesöödud valke, sahhariide või lipiide , vaid organismis toimub valmis orgaanilise aine lagundamine ja uue antud organismile omase orgaanilise aine süntees. Orgaanilise aine lagundamis - ja sünteesiprotsesse nimetatakse ainevahetuseks. Selle käigus eraldunud jääkained eraldatakse keskkonda. Seega, kõik organismid võtavad väliskeskkonnast energiat vastu ja ka väljutavad seda. Soojusenergiat väljutavad kõik organismid, kelle temperatuur on väliskeskkonna omast kõrgem.
Stabiilse sisekeskkonnaga (iseloomulik homoöstaas)
Organismidel on püsiv keemiline koostis, happesusreaktsioon (pH) ja teatud piirides kehatemperatuur (püsisoojased, kõigusoojased). Ainuraksed on võrreldes hulkraksetega väliskeskkonnast rohkem sõltuvad, sest nende võimalused püsiva sisekeskkonna säilitamiseks on piiratud.
Paljunemisvõimelised
Organismid paljunevad kas suguliselt (emas- ja isasgameedi ühinemisega) või mittesuguliselt (pooldudes, vegetatiivselt või eostega). Mittesuguline paljunemine esineb bakteri-, taime- ja seeneriigis ning protistidel, suguline paljunemine taime- ja loomariigis ning osal protistidel.
Järglased on tavaliselt vanemate sarnased – ehituse ja talitluse pärilikkus. Pärilikkuse kandjateks on geenid , millesse on kodeeritud geneetiline informatsioon. See määrab, milliseks tulevane organism kujuneb.
Arenemisvõimelised
Areng algab sugulisel paljunemisel viljastumisega, mittesugulisel mingi osa eemaldumisega vanemorganismist. Arengu käigus täiustub organismi välis- ja siseehitus ja toimub kohanemine ümbritseva keskkonnaga. Areng lõpeb surmaga.Organismi eluea pikkus on pärilikult määratud ja mõjutatud ka keskkonna tegurite poolt.
Võimelised reageerima ärritusele
Vastus ärritusele väljendub liikumisena. Loomad võtavad informatsiooni väliskeskkonnast vastu meeleorganitega. Närvisüsteem töötleb ümber aistingud sise- ja väliskeskkonnast. Ka taimed liiguvad – pööravad lehti valguse suunas. Ainuraksed kingloomad ujuvad soolakristallist eemale. Ka bakterid on võimelised liikuma. Liikumine on omane enamikule elusorganismidest.
Bioloogia uurib elu erinevatel tasemetel. Elu kõiki ilminguid on võimatu üheaegselt käsitleda. Bioloogia erinevad haruteadused tegelevad erinevate tasemetega.
Eluslooduse organiseerituse tasemed ja nende uurimisega tegelevad haruteadused
1. Biomolekul ( valgud , DNA, RNA) - molekulaarbioloogia
2. Rakk - rakubioloogia e. tsütoloogia
3. Kude - koebioloogia e. histoloogia
4. Organ - anatoomia (uurib ehitust), füsioloogia (uurib talitlust)
5. Organism - zooloogia (loomi), botaanika (taimi), mükoloogia (seeni), geneetika (pärilikkust), biokeemia (ainevahetust), mikrobioloogia (baktereid), algoloogia (vetikaid)
6. Populatsioon - ökoloogia, evolutsionism ja populatsioonigeneetika (isendid ühes elupaigas)
7. Liik - süstemaatika (koondab sarnaste tunnustega isendid liiki, liigid perekonda, perekonnad sugukonda, seltsi, klassi, hõimkonda, riiki)
8. Ökosüsteem - süsteem-ökoloogia (eluvormid metsas, järves, põllul, meres, rabas, ookeanis)
9. Biosfäär - globaal-ökoloogia (elu või selle jäljed atmosfääris kuni 15 km, hüdrosfäär kuni 11km ja litosfäär kuni 2 km)
Molekulaarbioloogiaga on tihedalt seotud:

• Tsütoloogia - uurib rakkude ehitust ja talitlust
  
• Tsütogeneetika - uurib pärilikkust rakulisel tasemel
  
• Molekulaargeneetika - uurib pärilikkuse molekulaarseid mehhanisme
  
• Viroloogia – viirusedki omavad teatud elu omadusi (sisaldavad nukleiinhappeid)
  
  • Biokeemia ja biofüüsika – biokeemilised ja biofüüsikalised protsessid on samas ka molekulaarbioloogilised: (toimuvad muutused organismi molekulides või nende liikumises)
    
  • Mikrobioloogia – molekulaarbioloogilised protsessid toimuvad rakus, lihtsaim rakk on bakterirakk
    

Varajane keemiline evolutsioon ja abiogenees
Millal meie koduplaneet tekkis? Milline ta alguses välja nägi? Millistest keemilistest elementidest ta koosnes? Millised klimaatilised tingimused seal valitsesid? Kuidas tekkis elu? Kõige õigem vastus on: me ei tea. Keegi pole mõõteriistade ja filmikaameraga kohal olnud. Jääb üle püstitada hüpoteese ja püüda neid katseliselt tõestada. Teadlased ongi siin suure töö ära teinud. On loodud pilt ürgsest Maast. Radioaktiivsete isotoopide uurimisega määratakse pinnase ja selles leiduvate elu jäänuste vanus. Keemilise evolutsiooni hüpotees väidab, et lihtsatest anorgaanilistest ja orgaanilistest ühenditest kujunesid aja jooksul atmosfääris ja ürgookeanis keerulised bioorgaanilised molekulid. Abiogeneesi hüpoteesi järgi tekkis elu elutust mateeriast (keerulistest bioorgaanilistest molekulidest) juhuslikult sobivate tingimuste tõttu, mis leidsid aset ainult üks kord Maa ajaloos. Tõsi, neid hüpoteese ei ole suudetud päriselt tõestada. Mõni keemilise evolutsiooni etapp on jäänud mõistatuseks. Ei ole ka õnnestunud luua bioorgaanilistest molekulidest rakku kunstlikes ürgse Maa tingimustes. Aga lihtsaim organism, mis kätkeb endas kõik elu omadused, on rakk. Teadlaste käsutuses on nüüdseks tehnoloogiad, mis võimaldavad sünteesida DNA lõike pikkusega 50-200 nukleotiidi. Selliseid lühikesi lõike on võimalik omavahel siduda ja luua pikemaid DNA molekule. Ka RNA molekule on laboris sünteesitud. 2003.a. õnnestus USA teadlastel luua sünteetilised viirused. Ühe hüpoteesi järgi tekkisid viirused ja bakterid hoopis kuskil mujal kosmoses ja lendasid Maale meteoriidil. 1996. aastal kuulutasid USA kosmoseagentuuri NASA teadlased maailmale, et avastasid Marsilt pärit meteoriidist fossiilse bakteri. Munajad ja kepjad moodustised olid vaid 100 nanomeetri pikkused. See on tuhandik juuksekarvast. Selle ajani ei usutud, et bakter võib olla nii väike. Nüüd on neid tillukesi nanobakteri e. nanoobi nime saanud mikroorganisme avastatud nii sügavalt maa alt liivakivist kui inimese neerudest. Soome Kuopio ülikooli teadlased Olavi Kajander ja Neva Ciftcioglu rabasid teadusüldsust uue leiuga. Nad avastasid nanobakterid neerukividest.
Aatomid ja molekulid ürgplaneedil maa
K C
õigest 4 on neid aatomeid, millest on üles ehitatud 96% orgaanilisest ainest elusorganismides: H, C, N ja O. Elusrakkudes funktsioneerivad biopolümeerid koosnevad tuhandetest, isegi miljonitest H, C, N ja O aatomitest. Kuid ürgsel Maal eksisteerisid need aatomid ainult lihtsate ainete koostises nagu näiteks H2O ja CO2, kus ühes molekulis on ainult 3 aatomit. Keemilise evolutsiooni hüpotees väidab, et lihtsate ühendite liitumise teel tekkisid ürgatmosfääris ja ürgookeanis keerulise ehitusega orgaanilised ained. Kuidas see liitumine võimalik oli, vaatleme esmalt lihtsate ühendite tekkimise näitel. Aatomil on tuum, milles on positiivselt laetud osakesed – prootonid laenguga +1 ja laenguta osakesed – neutronid . Ümber tuuma tiirlevad negatiivselt laetud osakesed – elektronid laenguga -1. Kuna + ja – laengud on tasakaalus, on aatom tervikuna laenguta. Prootonite ja elektronide arv on võrdne, neutronite arv võib varieeruda (isotoobid!). Prootonitel ja neutronitel on mass. See kokku moodustab elemendi aatommassi. Elektronide mass on võrreldes tuuma massiga nii väike, et seda ei arvestata. Näiteks kõige enam levinud süsiniku isotoop 12C omab 6 prootonit ja 6 neutronit ja 6 elektroni. Aatommmass on 6+6 = 12. Mendelejevi tabelis:
Elektronid tiirlevad ümber tuuma kindlatel orbiitidel . Orbiitidel on kindel kuju (s ja p orbiidid ). Igal orbiidil võib olla kuni 2 elektroni. Orbiidid on koondunud elektronkihtideks, sõltuvalt sellest, kui kaugel nad tuumast on. Elektronkihtide arv on Mendelejevi tabelis seotud rea numbriga. C paikneb 2 reas ja tal on 2 elektronkihti. Tuuma ümber I kihil tiirlevad 2 elektroni ja II kihil (välimisel kihil) 4 elektroni. Viimast kihti nimetatakse ka valentskihiks, elektrone, mis seal liiguvad valentselektronideks. Aatom on stabiilsem, kui tema valentskihil ei ole paardumata elektrone. Elu ehituskividel H, C, O ja N on valentskihil kõigil paardumata elektronid: H - 1; C - 4; O - 2 ja N - 3. Niisugune on ka nende valents ühendites. Need on keemiliselt aktiivsed elemendid.
Mis on energia? Energia on mateeria võime teha tööd, panna midagi liikuma, tõsta mingi keha temperatuuri, muuta aine keemilist struktuuri jne. See võime avaldub kahel erineval moel: hoitud potentsiaalina või aktiivse liikumisena. Hoitud energia potentsiaali nimetatakse potentsiaalseks energiaks, liikumise energiat kineetiliseks energiaks. Potentsiaalne energia sõltub objekti positsioonist ja võib kergesti muutuda kineetiliseks energiaks, see omakorda mehhaaniliseks või soojusenergiaks.
Energia ei teki ega kao, vaid muundub ühest olekust teise
Välimise elektronkihi elektronidel on suurem potentsiaalne energia, kui sisemiste kihtide elektronidel, sest võimaluse korral nad langevad tuumale lähemale, järgmisele sisemisele kihile. Kui see langemine toimub, muudetakse elektroni potentsialne energia kineetiliseks. Kui langemine on toimunud, muutub kineetiline energia soojus - või valgusenergiaks. Molekulidel on kineetiline energia, sest nad on pidevas liikumises. Molekulide kineetilist energiat nimetatakse soojusenergiaks. Soojusenergia mõõduks on temperatuur. Kui aine on külm, liiguvad selle molekulid aeglaselt. Kui aine on kuum, liiguvad molekulid kiiresti. Kui kaks erineva temperatuuriga objekti puutuvad kokku, kantakse soojusenergia ühelt teisele üle. Seda nimetatakse kuumutamiseks. Termodünaamika I seadus ütleb, et energia ei teki ega kao, vaid muundub ühest olekust teise. Teadlased on konstrueerinud spetsiaalsed simulatsiooni mudelid arvutile . Need võimaldavad saada vastuseid paljudele küsimustele. Näiteks sisestatakse programmi reageerivate ainete valemid ja arvuti pakub välja, millised produktid võivad tekkida. Teadlasi huvitas, millised ained ja millistel tingimustel võiksid tekkida, kui reageeriksid CO2, H2O, N2 ja H2. H2CO3 ei pakkunud huvi, sest see nõrk hape ei ole orgaaniliste ainete ehitusplokiks. Eesmärk oli teada saada, kas oleks võimalik formaldehüüdi H2CO (H-CHO - metanaal , mürgine gaas , mille vesilahus on formaliin – kasutatakse desinfitseerimiseks) tekkimine. Koos vesiniktsüaniidiga HCN (mürgine gaas, vesilahus - sinihape) on formaldehüüd üheks peamiseks vahelüliks keeruliste biomolekulide tekkimisel. Küsimuseks oli, kas järgmine reaktsioon võis aset leida ja kui, siis millistel tingimustel:
CO2(g) + 2H2(g) → H2CO(g) + H2O(g)
Arvutiga saadi tulemuseks, et võis küll, ainult juhul, kui neeldus suur hulk energiat. Reaktsioon on endergooniline. Sel põhjusel see reaktsioon spontaalselt ei toimu. Eksergoonilised reaktsioonid, kus energia eraldub, kulgevad spontaanselt. Keemilised reaktsioonid kulgevad spontaanselt, kui:

reagentidel on kõrgem potentsiaalne energia, kui produktidel (sel juhul hoiavad produktide aatomid elektrone tugevamini kinni, kui reagentide aatomid). Potentsiaalse energia erinevus reagentide ja produktide vahel eraldub soojusenergiana → reaktsioon on eksotermiline

produktide tekkimisega entroopia suureneb (korrastatuse aste produktide molekulides on madalam, kui reaktantide molekulides)
Formaldehüüdi tekkimiseks pakutud reaktsioon ei vasta kummalegi tingimusele, seetõttu spontaanselt ei toimu. Spontaanne reaktsioon on näiteks puu põlemine: C6H12O6 + 6O2= 6CO2 + 6H2O. Eksotermiline reaktsioon – eraldub soojus.
Mis on redoksreaktsioonid ?
Need on reaktsioonid, kus toimub elektronide ülekanne ühelt aatomilt teisele. Aatomit, mis loovutab elektrone nimetatakse redutseerijaks. Aatomit, mis võtab elektrone vastu, nimetatakse oksüdeerijaks. Reaktsiooni tulemusena redutseerija oksüdeerub (saab + laengu), oksüdeerija redutseerub (saab – laengu.) Kuid elektronide üleminek ühelt aatomilt teisele ei pruugi olla täielik. Aatomid omandavad osalise laengu ka siis, kui nad nihkuvad kovalentses keemilises sidemes rohkem ühe aatomi poole ja kaugenevad teisest. See aatom, mis tihedamini elektrone enda poole tõmbab, saab osalise – laengu. Teine aatom, millest elektronid kaugemale on tõmmatud, saab osalise + laengu. Ka sellisel juhul on tegemist sisuliselt redoksreaktsiooniga.
Keemilise evolutsiooni näidisreaktsioon: CO2 + 2H2 + valgusenergia → H2CO + H2O
on sisuliselt redoksreaktsioon, kus C redutseerub (tõmbab elektrone ligi), tema oksüdatsiooniaste +4 CO2-s väheneb 0-ni formaldehüüdis. H2 molekulis on elektronid jaotunud võrdselt kahe H aatomi vahel, ei ole nihkunud mitte kummagi aatomi poole. Seepärast on H2 molekul võib kergemini loovutada elektroni, käituda elektrondoonorina (redutseerijana). CO2 molekulis on elektronid nihkunud tugevasti elektronegatiivsema O aatomi poole. CO2 on seepärast stabiilne molekul ja käitub reaktsioonides kui elektronaktseptor (oksüdeerija). Selles reaktsioonis C redutseerub, elektronid H ja C vahel H2CO-s on võrdsel kaugusel, ei ole kummagi aatomi poole nihkunud, sest H elektronegatiivsus = ligikaudu C elektronegatiivsusega. H2CO on ebastabiilne molekul ja astub kergesti uutesse keemilistesse reaktsioonidesse. Süsiniku redutseerumine oli oluline samm keemilises evolutsioonis . Elu on nimetatud süsinikul baseeruvaks nähtuseks ja täiesti õigustatult, sest kõik molekulid, mis elusorganismis leiduvad (välja arvatud H2O), sisaldavad C aatomit. Tänu oma neljale valentselektronile saab C moodustada palju kovalentseid sidemeid . Erinevad kombinatsioonid üksik ja kaksiksidemetest võimaldavad moodustada erinevaid molekuli struktuure. Kui molekulis on rohkem kui üks C aatom, võivad need liituda üksteise külge ja moodustada pika lineaarse ahela nagu oktaanis C8H18 või liituda tsükliks nagu glükoosis C6H12O6. Süsinikku sisaldavaid molekule nimetatakse orgaanilisteks molekulideks, süsinikku mittesisaldavaid molekule tuntakse anorgaaniliste molekulidena. Sideme tekkimine kahe C aatomi vahel oli järgmiseks olulise tähtsusega sammuks keemilises evolutsioonis. Kui olid tekkinud redutseerunud C-ga ühendid nagu H2CO ja HCN, oli edasine keemiline evolutsioon võimalik juba ainult kõrge temperatuuri olemasolul.
Vee roll keemilises evolutsioonis
Tõsi on, et elu baseerub C aatomil. Samavõrra on õige väide, et elu baseerub H2O-l. Elusrakkudes on vett üle 75% ruumalast. 70% inimese kehakaalust moodustab vesi. Abiogeneesi pooldajad on seisukohal, et keerulisemad orgaanilise aine molekulid ja esimene elusorganism tekkisid vees. Hüpotees põhineb faktil, et vesi on kõige parem lahusti üldse. Ürgookeani tekkimine oli keemilise evolutsiooni oluliseks pöördepunktiks, see tegi võimalikuks elu tekke. Vee molekul on polaarne. H ja O aatomite vahel on 2 kovalentset polaarset sidet, milles elektronid on nihkunud elektronegatiivsema O aatomi suunas. Vee molekul ei ole lineaarne, vaid H aatomid paiknevad teineteise suhtes nurga all
5