Anatomie a fyziologie I
Úvod
Aminokyseliny jsou stavebními kameny bílkovin. Pořadí aminokyselin v jednotlivých bílkovinách je zakódováno v DNA buňky. Fyzikální a chemické vlastnosti 20 různých přirozeně se vyskytujících aminokyselin určují tvar bílkoviny a její interakce s okolím. Určité krátké sekvence aminokyselin v proteinu také určují, kde se protein v buňce nachází. Bílkoviny se skládají ze stovek až tisíců aminokyselin. Jak si dokážete představit, skládání bílkovin je složitý proces a vzhledem k velkému počtu kombinací aminokyselin existuje mnoho možných tvarů. Pochopením vlastností aminokyselin získáte představu o limitech skládání bílkovin a naučíte se předpovídat potenciální strukturu bílkoviny vyššího řádu.
Všechny aminokyseliny mají stejnou páteřní strukturu, na α -uhlík je připojena aminoskupina (α-amino nebo alfa-amino skupina), karboxylová skupina, α-vodík a různé funkční skupiny (R). 
Obecná struktura α-aminokyseliny. Kyselá skupina je karboxylová kyselina. Uhlík, který je připojen ke karboxylové kyselině, je α-uhlík. Pokud by skupina R byla atomem uhlíku, jednalo by se o β -uhlík.
Mají-li všechny aminokyseliny stejnou základní strukturu s aminem, karboxylem a vodíkem připojeným k alfa-uhlíku, pak velké rozdíly ve vlastnostech a struktuře aminokyselin musí pocházet ze čtvrté skupiny připojené k alfa-uhlíku. Tato skupina se označuje jako postranní řetězec aminokyseliny nebo skupina R.
Struktury 20 běžných aminokyselin jsou uvedeny na následujícím grafu. Nejjednodušší aminokyselina, glycin, je zobrazena vlevo nahoře. Atomy hlavního řetězce glycinu jsou zvýrazněny žlutě a jeho postranní řetězec (H) je zvýrazněn zeleně. Všechny aminokyseliny mají stejné atomy hlavního řetězce, ale liší se postranními řetězci. Pro přehlednost je na zbývajících obrázcích vynechán α-proton.
Skupiny postranních řetězců těchto aminokyselin obsahují mnoho společných skupin atomů, které se nazývají funkční skupiny. Většina funkčních skupin, jako je hydroxylová skupina (-OH), je běžně polární, což jim umožňuje interagovat s vodou. Podrobnosti o funkčních skupinách naleznete v interaktivní tabulce funkčních skupin, kterou získáte kliknutím na odkaz Learn by Doing níže.
Peptidové vazby
Proteiny jsou polymery aminokyselin. Aminokyseliny se spojují kondenzační reakcí. Každá aminokyselina v polymeru se označuje jako „zbytek“. Jednotlivé aminokyseliny se spojují připojením dusíku aminoskupiny jedné aminokyseliny ke karbonylovému uhlíku (C=O) karboxylové skupiny jiné aminokyseliny, čímž vzniká kovalentní peptidová vazba a vzniká molekula vody, jak je znázorněno níže.
Výsledný peptidový řetězec je lineární s definovanými konci. Krátké polymery (méně než 50 zbytků nebo aminokyselin) se obvykle označují jako peptidy a delší polymery jako polypeptidy. Několik polypeptidů dohromady může tvořit některé velké bílkoviny. Protože syntéza probíhá od alfa-aminoskupiny jedné aminokyseliny ke karboxylové skupině jiné aminokyseliny, výsledkem je, že na jednom konci rostoucího polymeru (N-konec) bude vždy volná aminoskupina a na druhém konci (C-konec) volná karboxylová skupina.
Všimněte si, že po začlenění aminokyseliny do proteinu náboje na amino a karboxylových koncích zmizely, a tak se atomy hlavního řetězce staly polárními funkčními skupinami. Protože každý zbytek v proteinu má přesně stejné atomy hlavního řetězce, funkční vlastnosti proteinu musí vyplývat z různých skupin postranních řetězců.
Podle konvence se sekvence peptidů a proteinů zapisují s N-koncem vlevo a C-koncem vpravo. Název N-terminálního zbytku je vždy první aminokyselina. Poté následuje název každé aminokyseliny. Primární sekvence bílkoviny odkazuje na sekvenci jejích aminokyselin.
Nukleové kyseliny
Nukleové kyseliny se primárně nacházejí v buněčném jádře (odtud název) a jsou replikující se makromolekuly. Nejdůležitější z nich jsou DNA a RNA. Bez nich by se buňky nemohly replikovat, což znemožňuje život. Tyto molekuly uchovávají „software“ buňky – instrukce, které řídí její funkci, procesy a strukturu. Kód se skládá ze sekvencí čtyř bází – adeninu, cytosinu, guaninu a tyminu (u RNA uracil). Ty jsou uspořádány v sadách po třech, kterým se říká triplety. Každý triplet určuje aminokyselinu, která je zase součástí bílkovinné makromolekuly. Celá složitost lidského těla vzniká z informace zakódované pouhými čtyřmi chemickými látkami v jediné dlouhé makromolekule DNA.
U lidí způsobují chyby ve struktuře DNA a RNA nemoci, včetně srpkovité anémie, hemofilie, Huntingdonovy chorey a některých typů rakoviny. I malá chyba může mít za následek dramatický účinek. Srpkovitost je způsobena změnou pouhé jedné aminokyseliny v sekvenci bází DNA. Nukleové kyseliny prostřednictvím usměrňování chemických procesů dávají buňkám pokyny, jak se mají diferencovat v různé orgány. Během vývoje se vypínají nebo aktivují celé sady sekvencí DNA, které řídí specifické procesy. Tyto procesy vedou ke vzniku různých druhů buněk, které vytvářejí orgány, jako je srdce, játra, kůže a mozek.
V buňce jsou nukleové kyseliny zase uspořádány do struktur vyšší úrovně zvaných chromozomy. Chromozomy si můžete prohlédnout pomocí světelného mikroskopu s použitím vhodného barviva. Dřívější studium chromozomů pomohlo vědcům objevit a pochopit úlohu nukleových kyselin v buněčném rozmnožování. Chyby ve struktuře chromozomů vedou k poruchám životních procesů. Například u člověka má nadbytečný chromozom 21 za následek Downův syndrom.
Páteř
Náš genetický kód určují pouze čtyři báze v DNA (G, C, A, T), které se opakují a jsou uspořádány ve zvláštním pořadí. Například,
1 agccctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca
61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc tggcgctgct ggccctctgg ggacctgacc
121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctctacc
181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagac ccgccgggag gcagaggacc
241 tgcaggtggg gcaggtggag ctgggcgggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg
301 ccctggaggg gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgct
361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacacccg
421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa
To se může zdát jako náhodný řetězec G, C, A, T, ale tato DNA kóduje lidský inzulín. DNA je uspořádána do lineárního polymeru ve dvojité šroubovici a zachovává dědičné pořadí bází neboli genetický kód. Na „stupních“ žebříčku DNA je kód, který nakonec řídí syntézu našich bílkovin. Tento lineární polymer genetického kódu se udržuje při přepisu dvouvláknové DNA do jednovláknové RNA.
Základní jednotkou DNA je nukleotid. Nukleotid obsahuje fosfátovou skupinu (znázorněna oranžově), která nakonec dodá polymeru DNA náboj a propojí nukleotidy na páteři. Furanózová cukerná skupina je pětistranný cukr (znázorněno fialově). Dusíkatá báze (znázorněná žlutě) určuje typ vytvořeného nukleotidu.
Číslování pozic na kruzích furanózových cukrů DNA a RNA se řídí konvencí, která pro označení pozic cukrů používá znak ‚ (prvočíslo). Ribosa má tedy dusíkatou bázi připojenou na pozici 1′ a hydroxylové skupiny (OH) na pozicích 2′, 3′ a 5′. Při použití tohoto názvosloví se deoxyribóza formálně nazývá 2′-deoxyribóza (2 prime deoxyribóza), aby se označila ztráta hydroxylu v poloze 2‘ ribózy.
Hlavním rozdílem v páteři polymeru mezi DNA a RNA je cukr použitý při tvorbě polymeru. V DNA (deoxyriboNukleové kyselině) je na 2′ pozici furanosy vodík. V RNA (RiboNukleové kyselině) má 2′ pozice furanózy OH (hydroxyl) a cukr je monosacharid ribóza ve furanózové konformaci.
Vazba jednotlivých nukleotidů je tvořena přemosťující molekulou fosfátu mezi dvěma hydroxylovými skupinami, jednou na každém kruhu furanózy. Výsledný polymer je řetězec furanózových molekul spojených fosfodiesterovými vazbami v jednu velmi dlouhou makromolekulu.
Následuje výčet strukturních charakteristik páteře polymeru DNA/RNA.
- Fosfát-ribóza(deoxyribóza)-fosfát-.sekvence ribózy(deoxyribózy)
- Spojená fosfodiesterovými kovalentními vazbami
- 3′ pozice na jedné ribóze(deoxyribóze) spojená s 5′ pozicí sousední ribózy(deoxyribózy) prostřednictvím fosfodiesteru. můstek
- Řetězec má 3′ konec a 5′ konec
Vodíkové vazby mezi bázemi
Dvojitá šroubovice DNA je udržována na místě pomocí vodíkových vazeb purinů s pyrimidiny.
Příklad purinů a pyrimidinů. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase
Připomeňte si, že vodíkové vazby jsou slabé interakce, ne jako kovalentní vazby fosfát-furanózové páteře. DNA tak drží pohromadě, ale může se od sebe odtrhnout pro přepis do RNA nebo pro replikaci DNA.
Aby se zachovala stejná vzdálenost mezi oběma vlákny DNA, musí se větší puriny spojit s menšími pyrimidiny. Konkrétně se A vždy váže s T a G se vždy váže s C v DNA. Užitečnou paměťovou pomůckou je, že A a T jsou úhlová písmena a G a C jsou zakřivená.
Přepis DNA
Replikace DNA: Při každém dělení buňky se veškerá DNA genomu duplikuje (tzv. replikace), takže každá buňka po dělení (tzv. dceřiná buňka) má stejnou DNA jako původní buňka (tzv. mateřská buňka).
Přepis DNA: Aby se z genetického kódu stal protein, prochází krokem transkripce. DNA se přepisuje do RNA (jednovláknové nukleové kyseliny). RNA je poté přemístěna z DNA do oblasti syntézy bílkovin.
Překlad RNA: RNA se překládá z kódu nukleové kyseliny do sekvence aminokyselin bílkoviny.
Tak se genový kód DNA může duplikovat, aby se zachovala konzistence v celém těle člověka a po celý jeho život. DNA se také používá k tvorbě bílkovin pomocí meziproduktu RNA.
Lipidy
Lipidy zahrnují tuky a vosky. Některé vitaminy, například A, D, E a K, jsou rozpustné v tucích. Snad nejdůležitější úloha lipidů spočívá ve vytváření membrán buněk a organel. Lipidy tak umožňují izolaci a řízení chemických procesů. Hrají také roli při skladování energie a buněčné signalizaci.
Lipidové molekuly tvořící buněčné membrány se skládají z hydrofilní „hlavy“ a hydrofobního „ocasu“ (nezapomeňte, že „hydro“ znamená voda a „philos“ znamená láska; „hydro“ znamená voda, „phobic“ znamená strach). Fosfolipidová dvojvrstva se vytvoří, když se obě vrstvy molekul fosfolipidů uspořádají tak, že se hydrofobní ocásky setkají uprostřed. Vědci se domnívají, že vznik buněčných kuliček lipidů byl důležitým předstupněm vzniku buněčného života, protože membrány fyzicky oddělují nitrobuněčné složky od mimobuněčného prostředí. Lipidové membrány tak uzavírají další makromolekuly, omezují objemy, aby se zvýšila možnost reakce, a chrání chemické procesy. Proteiny s hydrofobními oblastmi se vznášejí v lipidové dvojvrstvě. Tyto molekuly řídí transport nabitých nebo lipofobních molekul dovnitř a ven z buňky, například molekul energie a odpadních produktů. Některé z těchto lipidů mají také připojené molekuly sacharidů, které vystupují z membrány, jsou důležité pro rozpoznávání buněk, jak bylo zmíněno dříve.
Lipidy jsou také důležitými molekulami pro skladování energie. Sacharidy mohou být využity ihned a lipidy poskytují dlouhodobé skladování energie. Lipidy se v těle hromadí v tukových buňkách (adipose cells). V rámci katabolického procesu z dob, kdy si lidé museli shánět potravu, se přebytečné sacharidy mohou přeměnit na lipidy, které se pak ukládají v tukové tkáni. Příliš velké množství přijatých sacharidů a lipidů vede v konečném důsledku k obezitě.