Mis juhtuks, kui rakul poleks DNA-d?

DNA-ga rakul on palju piiranguid, mis võivad tema surma kiirendada. Rakud nõuavad DNA-lt oluliste eluülesannete täitmist, geneetilise materjali edastamist, õigete valkude kokkupanekut ja kohanemist kõikuvate keskkonnatingimustega. Mõned kõrgelt spetsialiseerunud rakud heidavad oma tuuma konkreetse ülesande, näiteks hemoglobiini ja süsinikdioksiidi kandmiseks, tõhusamaks täitmiseks. Anukleeritud rakud, nagu küpsed punalibled, on keskkonnatoksilisusele vastuvõtlikumad ja nende eluiga on suhteliselt lühike.

Deoksüribonukleiinhape (DNA) sisaldab elusorganismide geneetilisi kodeerimisjuhiseid. DNA koosneb adeniini, tsütosiini, guaniini ja tümiini alustest, mis paaristuvad ja ühenduvad vesiniksidemete kaudu. Suhkru- ja fosfaatmolekulide külge kinnitatud komplementaarset aluspaari - nagu adeniin (A) ja tümiin (T) - nimetatakse nukleotiidiks. Pikad nukleotiidide ahelad moodustavad nüüdseks kuulsa topelt-DNA-spiraali, mille avastasid 1952. aastal Londoni King's College'i teadlased James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins.

Eukarüootsed rakud kopeerivad DNA-d ja jagavad seejärel koopiat, kui rakk jaguneb mitoosi või meioosi käigus. Meioos sisaldab rakkude jagunemise ajal täiendavat sammu, kus DNA jupid murduvad ühest kromosoomist ja kinnituvad uuesti sobiva kromosoomiga. Jagatud kromosoomid tõmmatakse raku vastassuundadesse ja tuumaümbrikud reformivad kromatiini ümber.

Tuum toimib ülemjuhatajana, kes annab käske üksuste juhtimiseks. Tuumas paiknev DNA annab kõik juhised organismile vajalike valkude kodeerimiseks. Tuuma kaotamine tekitaks rakus kaose. Ilma selge juhiste komplektita poleks tüüpilisel somaatilisel rakul aimugi, mida edasi teha.

Rakud vajavad ka tuuma, mis aitab reguleerida ainete liikumist üle rakumembraani. Molekulid liiguvad edasi-tagasi osmoosi, filtreerimise, difusiooni ja aktiivse transpordi teel. Erinevat tüüpi vesiikulid mängivad rolli ka ainete liikumisel rakku või sealt välja. Ilma etendust korraldava tuumata võib rakk kokku kukkuda või paisuda ja lõhkeda.

Tuumaümbris on kahemembraaniline struktuur, mis korrigeerib tuuma sees olevat DNA-d (kromatiini). Interfaasi ajal hangib tuum toitaineid ja tagab optimaalse keskkonna DNA dubleerimiseks. Kui rakk on jagamise alustamiseks valmis, laguneb tuuma ümbris ja vabastab kromosoomid tsütoplasmasse. DNA on tuumas kaitstud ja kaitstud, kuna see sisaldab kogu liikide paljunemiseks vajalikku organismi genoomi.

Kas elu saab eksisteerida ilma DNA-ta? Kas viirused elavad? Kas kasvajarakud on elus? Nendele küsimustele vastamine nõuab mõistmist ja elu mõtte osas kokkuleppimist, kuid mitte salapärases filosoofilises mõttes. Vastavalt NASA astrobioloogid, "Elu on isemajandav keemiline süsteem, mis on võimeline Darwini evolutsiooniks." Elu definitsioonid on aga erinevad ja see mõjutab näiteks ainult RNA-d sisaldavate viiruste klassifitseerimist.

Eukarüootsed rakud sisaldavad oma tuumas DNA-d, mis jälgib tavapäraseid tööprotseduure. Rakkude jagunemise eesmärk on kasvada ja paljuneda. Evolutsioon ja kohanemine tulenevad DNA nukleotiidide ainulaadsetest paaristamistest. Rakkudel, millel puudub DNA, ei oleks edasiandmiseks geneetilist materjali.

Messenger ribonukleiinhappe (mRNA) molekulid toimivad tuuma DNA ja ülejäänud raku vahelülina. Nagu nimigi ütleb, kopeerib (transkribeerib) mRNA DNA osad ja saadab loetletud sõnumid organellidele, andes märku, millal teatud tüüpi valke jagada või kokku panna. Kui rakk kaotaks oma tuuma ja DNA, nõrgeneks rakk lõpuks ja köidaks immuunsüsteemi neelavate mikrofagide tähelepanu.

Eukarüootsetes rakkudes on tuum, mis sisaldab DNA-d. Definitsiooni järgi ei saaks eukarüootseid organisme ilma DNA-ta eksisteerida. Lisaks tuumale sisaldavad eukarüootsed organismid mitut tüüpi organelle, mis toimivad vihjena:

• The endoplasmaatiline retikulum (ER) on tuuma külge kinnitatud volditud membraan. Välimist kihti nimetatakse karedaks ER-ks, kuna see on kaetud kühmuliste ribosoomidega. Valgumolekulid pannakse kokku karmi ER ja sileda sisemise ER kihi vahele. Vesiikulid viivad äsja kokku pandud valgud Golgi aparaat edasiseks töötlemiseks ja levitamiseks.

• Ribosoomid on pisikesed, kuid olulised valgu struktuurid. Ribsoomid dekodeerivad DNA-st kopeeritud messenger RNA ja panevad ettenähtud aminohapped kokku õiges järjekorras. Pärast tuumas moodustumist hõljuvad ribosoomid tsütoplasmas ringi või seonduvad karmi endoplasmaatilise retikulumiga.
  

• The tsütoplasma on rakus olev poolvedelik vedelik, mis hõlbustab keemilisi reaktsioone. Kiuline valkudest valmistatud tsütoskelett aitab organoelle tsütoplasmas asetada. Kromatiidid kondenseeruvad mitoos ja rivistuvad mööda raku keskosa, enne kui tsütoplasmas sisalduvatest mikrotuubulitest koosnev mitootiline spindel lahutab need.
  

• Vacuoles on kambris olevad hoiukotid, mis ajutiselt hoiavad kinni toitu, vett ja jäätmeid. Taimedel on suur vakuool, mis hoiab vett, reguleerib veesurvet ja tugevdab rakuseina.
  

• Mitokondrid on üldtuntud kui raku elektrijaam. Adenosiintrifosfaadi (ATP) energiat toodetakse rakuhingamise teel. Suure energiavajadusega rakud sisaldavad palju mitokondreid.
  

Prokarüootsete rakkude DNA paikneb nukleoidpiirkonnas. Prokarüootsed DNA ja organellid ei ole membraanidega ümbritsetud. Valku tootvad ribosoomid on tsütoplasmas domineerivad organellid. Bakterid on prokarüootsed eluvormid; mõnel on whiplike flagellum, mis on sensoorsed organellid.

Enamik DNA paikneb tuumas (tuuma DNA), kuid väikesed kogused esinevad ka mitokondrites (mitokondriaalne DNA). Tuuma-DNA reguleerib rakkude ainevahetust ja kannab geneetilist materjali ühest jagunevast rakust teise. Mitokondriaalne DNA sünteesib valke, toodab ensüüme ja kordab ennast. Prokarüootsed rakud sisaldavad ka DNA-d, kuid puudub tuumamembraan ega ümbris.

Rakk vajab tuuma mõnel samal põhjusel, mis vajab keha südant ja aju. Tuum juhib raku igapäevaseid toiminguid. Organellid vajavad juhiseid tuumast. Ilma tuumata ei saa rakk ellujäämiseks ja arenemiseks vajalikku.

Rakul, millel puudub DNA, puudub võime teha paljut muud peale oma antud ülesande. Elusorganismid sõltuvad valkude ja ensüümide juhtimiseks DNA geenidest. Isegi primitiivsetel eluvormidel on DNA või RNA. Inimkeha 46 kromosoomis on ligikaudu 20 500 geeni DNA-s, mis vastutavad triljonite rakkude eest inimkoes, vastavalt Geneetika kokkuvõte.

Kõik organismid algavad väikesest rakukerast, mis on spetsialiseerunud paljudeks erinevat tüüpi rakkudeks, nagu neuronid, valged verelibled ja lihasrakud. Alguses vajavad kõik rakud tuuma, et öelda, mida teha. Juhised võivad sisaldada isegi programmeeritud surma. Näiteks on juuksed, nahk ja küüned surnud rakud, mis on täidetud keratiiniga.

Reproduktiivne või terapeutiline kloonimine hõlmab munaraku tuuma eemaldamist ja selle asendamist somaatilise doonorraku tuumaga. Seejärel alustatakse rakku elektriliselt või keemiliselt. Hoolikalt kontrollitud tingimustes kasvavad rakud ja diferentseeruvad uueks elundiks, koeks või organismiks, millel on doonori DNA.

Küpsed punased verelibled ning naha ja soolestiku epiteelirakud on praamijäätmete või keskkonnamürkidega kokkupuutumise tõttu altid kulumisele, vigastustele ja mutatsioonidele. Pole üllatav, et rakud, millel puudub tuum, surevad kiiremini kui muud tüüpi rakud. Tuuma puudumine sellistes rakkudes pakub kaitsvat tegurit. Kui nendel rakkudel oleks tuum, oleks kromosoomikahjustuse tõenäosus suurem ja võib-olla surmaga lõppenud organismil, kui tal on lubatud eluohtlikke mutatsioone jagada ja edasi liikuda, põhjustades haigusi ja kasvajad.

Ilma DNA-ta ei saanud rakud paljuneda, mis tähendaks liigi väljasuremist. Tavaliselt teeb tuum koopiad kromosomaalsest DNA-st, seejärel DNA segmendid rekombineeruvad ja seejärel jagunevad kromosoomid kaks korda, moodustades neli haploidset muna- või seemnerakku. Meioosi vead võivad põhjustada rakkude puudumist DNA-s ja pärilikke haigusi.

Nagu loomarakkudel, on ka taimerakkudel membraani suletud tuum, mis sisaldab DNA-d. Lisaks sisaldavad taimed klorofülli, mis kogub päikeseenergiat fotosünteesiks ja toiduenergia koristamiseks. Omakorda toodavad taimed toitu ülejäänud toiduvõrgu jaoks. Taimed parandavad ka keskkonda, vabastades hapnikku ja vajudes atmosfääri süsinikdioksiidi.

Tuuma olemasolu võimaldab taimedel paljuneda ja säilitada populatsiooni stabiilsust. Kui taimedel ei oleks raku tegevust suunavat tuuma, ei saaks nad toitu toota. Järelikult surevad taimed välja. Taimtoidulised oleksid omakorda ohus, kui nende toiduallikas kõrvaldataks.

Elurikkus on mitmerakuliste organismide liikide ellujäämise võti. Taimeliigid ei saa uude koju rännata, kui kliimamuutused või haiguste levitajad ähvardavad ootamatult teatud piirkonnas isoleeritud liigi ellujäämist. Geenide rekombinatsiooni kaudu meioosis eksisteerib populatsioonides geneetiline varieeruvus, mis muudab teatud taimed tänu oma ainulaadsele genoomile kõvemaks ja vastupidavamaks. Ehkki sama tüüpi taimed võivad esmapilgul kõik sarnased välja näha, on treenitud silmale tavaliselt täheldatavad väikesed, kuid olulised erinevused.

Näiteks kahel pealtnäha identsel kõrvuti kasvaval taimel võib nende ainulaadse genotüübi tõttu olla lehe keskmise suuruse, venatsiooni ja juurestruktuuri väikesed erinevused. Sellised peened erinevused võivad olla keskkonnatingimuste muutumisel kasulikud või kahjulikud. Näiteks põua ajal on taimedel suurem aurustumise kiirus. Tugevalt soontega väikeste lehtedega taimed võivad paremini sobida ellujäämiseks ja paljunemiseks näiteks kuivades tingimustes.

Viirused võivad ohustada peremeesraku DNA-d. Viirus nakatab peremeest, süstides peremeesrakku viiruse DNA või RNA molekule. Viiruse DNA käsib rakul toota viiruse valkude koopiaid, mitte raku enda, et luua rohkem viirusi, mis jätkavad paljunemist. Lõpuks võib rakk lõhkeda ja surra, levitades viirusi, mis jagunevad ikka ja jälle. Levinud haigusi nagu tuulerõuged ja gripp põhjustavad viirused, mis ei allu antibiootikumidele.

Raku- ja molekulaarbioloogiat õppivatel õpilastel peab olema kindel arusaam DNA rollist ja olulisusest rakutsükli kõigis faasides. Ilma DNA-ta ei saaks elusorganismid kasvada. Lisaks ei saanud taimed mitoosi abil jagada ja loomad ei saanud meioosi kaudu geene vahetada. Enamik rakke poleks lihtsalt ilma DNA-deta rakud.

Prooviküsimuste näidised:

Kui selle tuum ja DNA puudusid, a taimerakk ei suudaks mis järgmistest?

1. Lõpeta rakutsükkel.
2. Kasva suuremaks.
3. Jagage mitoosi järgi.
4. Kõik ülaltoodud.

Kui selle tuum ja DNA puuduksid, an loomarakk ei suudaks seda teha mis järgmistest?

1. Lõpeta rakutsükkel.
2. Kasva suuremaks.
3. Jagage meioosi järgi.
4. Kõik ülaltoodud.