Anatomi og fysiologi I

Indledning

Aminosyrer er byggestenene i proteiner. Sekvensen af aminosyrer i de enkelte proteiner er kodet i cellens DNA. De fysiske og kemiske egenskaber ved de 20 forskellige naturligt forekommende aminosyrer dikterer proteinets form og dets interaktioner med omgivelserne. Visse korte sekvenser af aminosyrer i proteinet dikterer også, hvor proteinet befinder sig i cellen. Proteiner er sammensat af hundredvis til tusindvis af aminosyrer. Som du kan forestille dig, er proteinfoldning en kompliceret proces, og der er mange mulige former på grund af det store antal kombinationer af aminosyrer. Ved at forstå aminosyrernes egenskaber får du en forståelse for grænserne for proteinfoldning og lærer at forudsige proteinets potentielle struktur af højere orden.

Alle aminosyrer har den samme rygsøjlestruktur med en aminogruppe (α-amino- eller alfa-amino-gruppen), en carboxylgruppe, et α-hydrogen og en række funktionelle grupper (R), der alle er knyttet til α -kulstof.

Den generelle struktur af en α-aminosyre. Den syreholdige gruppe er en carboxylsyre. Det kulstof, der er knyttet til carboxylsyren, er α-kulstoffet. Hvis R-gruppen var et kulstofatom, ville det være β -kulstoffet.

Hvis alle aminosyrer har den samme grundstruktur med en amino, en carboxylgruppe og et hydrogen fastgjort til alfa-kulstoffet, så må den store variation i aminosyrernes egenskaber og struktur stamme fra den fjerde gruppe, der er knyttet til alfa-kulstoffet. Denne gruppe kaldes aminosyrens sidekæde eller R-gruppen.

Strukturerne af de 20 almindelige aminosyrer er vist i skemaet nedenfor. Den enkleste aminosyre, glycin, er vist øverst til venstre. Hovedkædeatomerne i glycin er fremhævet med gult, og dens sidekæde (H) er fremhævet med grønt. Alle aminosyrer har de samme hovedkædeatomer, men adskiller sig fra hinanden i sidekæderne. For overskuelighedens skyld er α-protonen udeladt i de resterende tegninger.

Sidekædegrupperne i disse aminosyrer indeholder mange fælles grupper af atomer, der kaldes funktionelle grupper. Størstedelen af de funktionelle grupper, såsom hydroxylgruppen (-OH), er almindeligvis polære, hvilket gør det muligt for dem at interagere med vand. Nærmere oplysninger om de funktionelle grupper findes i det interaktive skema om funktionelle grupper, som du kan få adgang til ved at klikke på linket Learn by Doing nedenfor.

Peptidbindinger

Proteiner er polymerer af aminosyrer. Aminosyrerne er bundet sammen ved en kondensationsreaktion. Hver aminosyre i polymeren betegnes som en “rest”. De enkelte aminosyrer forbindes ved, at nitrogenet i en aminogruppe i en aminosyre bindes til carbonylkulstoffet (C=O) i carboxylgruppen i en anden aminosyre for at skabe en kovalent peptidbinding og give et vandmolekyle, som vist nedenfor.

Den resulterende peptidkæde er lineær med definerede ender. Korte polymerer (mindre end 50 rester eller aminosyrer) betegnes normalt som peptider, og længere polymerer som polypeptider. Flere polypeptider kan tilsammen danne nogle store proteiner. Da syntesen foregår fra alfa-aminogruppen fra en aminosyre til carboxylgruppen fra en anden aminosyre, er resultatet, at der altid vil være en fri aminogruppe i den ene ende af den voksende polymer (N-terminus) og en fri carboxylgruppe i den anden ende (C-terminus).

Bemærk, at efter at aminosyren er blevet inkorporeret i proteinet, er ladningerne på amino- og carboxyterminerne forsvundet, og hovedkædeatomerne er således blevet til polære funktionelle grupper. Da hver rest i et protein har nøjagtig de samme hovedkædeatomer, må proteinets funktionelle egenskaber skyldes de forskellige sidekædegrupper.

Som konvention skrives sekvenserne af peptider og proteiner med N-terminus til venstre og C-terminus til højre. Navnet på den N-terminale rest er altid den første aminosyre. Derefter følger navnet på hver aminosyre. Den primære sekvens af et protein henviser til dets aminosyresekvens.

Nukleinsyrer

Primært placeret i cellekernen (deraf navnet) er nukleinsyrer replikerende makromolekyler. De vigtigste er DNA og RNA. Uden dem kunne cellerne ikke replikere sig, hvilket gør liv umuligt. Disse molekyler lagrer cellens “software”, dvs. de instruktioner, der styrer cellens funktion, processer og struktur. Koden består af sekvenser af fire baser -adenin, cytosin, guanin og thymin (uracil i RNA). Disse er arrangeret i sæt af tre, kaldet tripletter. Hver triplet angiver en aminosyre, som igen er en bestanddel af et proteinmakromolekyle. Hele menneskekroppens indviklede kompleksitet stammer fra den information, der er kodet af blot fire kemikalier i et enkelt langt DNA-makromolekyle.

I mennesker forårsager fejl i DNA’s og RNA’s strukturer sygdomme, herunder seglcelleanæmi, hæmofili, Huntingdon’s chorea og nogle typer kræft. Selv en lille fejl kan have en dramatisk virkning. Sikkelsyge skyldes, at blot én aminosyre i DNA-basesekvensen ændres. Ved at styre kemiske processer instruerer nukleinsyrerne cellerne i, hvordan de skal differentiere sig til forskellige organer. Under udviklingen lukkes eller aktiveres hele sæt af DNA-sekvenser for at styre specifikke processer. Disse processer fører til forskellige typer celler, der danner organer som f.eks. hjerte, lever, hud og hjerne.

I cellen er nukleinsyrerne igen organiseret i strukturer på et højere niveau kaldet kromosomer. Du kan se kromosomer med et lysmikroskop, hvis du bruger en passende farvestof. Tidlige studier af kromosomer hjalp forskerne med at opdage og forstå nukleinsyrernes rolle i den cellulære reproduktion. Fejl i kromosomernes struktur fører til funktionsfejl i livsprocesserne. For eksempel resulterer et ekstra kromosom 21 hos mennesker i Downs syndrom.

Rygsøjlen

Vores genetiske kode er bestemt af kun fire baser i DNA (G, C, A, T), som gentages og arrangeres i en særlig rækkefølge. For eksempel,

1 agccctctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctcctgc tggcgctgctgct ggccctctctct ggacctgaccgacc

121 cagccgcagc ctttgtgtgaac caacacctctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctctacc

181 tagtgtggcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagagac ccgccgggggag gcagaggacc

241 tgcagaggtggg gcaggtggag ctgggcgggggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctggcag aagcgtggggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgctgct

361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcagcc cgcaggcagc cccacacacccg

421 ccgcctcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Dette kan virke som en tilfældig række af G, C, A, T, men dette DNA koder for menneskelig insulin. DNA er organiseret i en lineær polymer i en dobbeltspiral og opretholder den nedarvede rækkefølge af baser eller den genetiske kode. “Trinene” på DNA-stigen har den kode, der i sidste ende styrer syntesen af vores proteiner. Denne lineære polymer af genetisk kode opretholdes, når dobbeltstrenget DNA transskriberes til enkeltstrenget RNA.

Den grundlæggende enhed i DNA er nukleotidet. Nukleotidet indeholder en fosfatgruppe (vist i orange), som i sidste ende vil give DNA-polymeren sin ladning og forbinde nukleotiderne på rygsøjlen. Furanose-sukkergruppen er et femsidet sukker (vist i lilla). Den nitrogenholdige base (vist med gul farve) bestemmer, hvilken type nukleotid der dannes.

Nummereringen af positionerne på sukkerfuranose-ringene i DNA og RNA følger en konvention, hvor ‘ (primsymbolet) anvendes til at angive sukkerpositionerne. Ribose har således en nitrogenbase forbundet med 1′-positionen og hydroxylgrupper (OH) på 2′-, 3′- og 5′-positionerne. Ved hjælp af denne nomenklatur kaldes deoxyribose formelt 2′-deoxyribose (2 prime deoxyribose) for at angive tabet af hydroxylgruppen på 2’-positionen i ribose.

Den største forskel i polymerrygsøjlerne mellem DNA og RNA er det sukker, der anvendes ved dannelsen af polymeren. I DNA (DeoxyriboNucleic Acid) har 2′-positionen af furanosen et hydrogen. I RNA (RiboNucleic Acid) har furanosens 2′-position et OH (hydroxyl), og sukkeret er monosaccharidet ribose i furanosekonformationen.

Binding af de enkelte nukleotider sker ved hjælp af et brobyggende fosfatmolekyle mellem to hydroxylgrupper, en på hver furanose-ring. Den resulterende polymer er en streng af furanosemolekyler, der er forbundet med fosfodiesterbindinger i ét meget langt makromolekyle.

Det følgende er en liste over strukturelle karakteristika ved DNA/RNA-polymerrygraden.

• Phosphat-ribose(deoxyribose)-phosphat-ribose(deoxyribose)sekvens
• Linked by phosphodiester covalent bonds
• 3′ position på én ribose(deoxyribose) forbundet til 5′ positionen på den tilstødende ribose(deoxyribose) gennem phosphodiester bro
• Kæden har 3′-ende og 5′-ende

Hydrogenbinding mellem baser

DNA-dobbeltspiralen holdes på plads ved hjælp af puriners hydrogenbinding til pyrimidiner.

Eksempel puriner og pyrimidiner. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Husk, at hydrogenbindinger er svage vekselvirkninger, ikke som de kovalente bindinger i fosfat-furanose-rygsøjlen. DNA holdes således sammen, men kan trækkes fra hinanden ved transkription til RNA eller ved DNA-replikation.

For at opretholde lige stor afstand mellem de to DNA-strenge skal de større puriner binde sig til de mindre pyrimidiner. Specifikt binder A altid med T, og G binder altid med C i DNA. En nyttig huskeregel er, at A og T er kantede bogstaver, mens G og C begge er krumme.

DNA-transskription

DNA-replikation: Hver gang en celle deler sig, duplikeres hele genomets DNA (kaldet replikation), så hver celle efter delingen (kaldet en dattercelle) har det samme DNA som den oprindelige celle (kaldet modercellen).

DNA-transkription: For at den genetiske kode kan blive til et protein, gennemgår den et transkriptionstrin. DNA transskriberes til RNA (en enkeltstrenget nukleinsyre). RNA’et pendles derefter væk fra DNA’et til området for proteinsyntese.

RNA-translation: RNA oversættes fra en nukleinsyrekode til aminosyresekvensen i et protein.

Så er DNA-genkoden i stand til at duplikeres for at opretholde konsistens i hele personens krop og i hele personens liv. DNA bruges også til at fremstille proteiner ved hjælp af et RNA-mellemprodukt.

Lipider

Lipider omfatter fedtstoffer og voks. Flere vitaminer, såsom A, D, E og K, er opløselige i lipider. Lipidernes måske vigtigste rolle er at danne membranerne i celler og organeller. På denne måde muliggør lipiderne isolering og kontrol af kemiske processer. De spiller også en rolle i energilagring og cellesignalering.

Lipidmolekyler, der danner cellemembraner, består af et hydrofilt “hoved” og en hydrofob “hale” (husk, at “hydro” betyder vand og “philos” betyder kærlighed; “hydro” betyder vand og “phobic” betyder frygt). Der dannes et fosfolipid-dobbeltlag, når de to lag af fosfolipidmolekyler organiseres med de hydrofobiske haler, der mødes i midten. Forskere mener, at dannelsen af celleagtige lipidkugler var en vigtig forløber for oprindelsen af det cellulære liv, da membraner fysisk adskiller intracellulære komponenter fra det ekstracellulære miljø. Således omslutter lipidemembraner andre makromolekyler, begrænser volumener for at øge muligheden for reaktioner og beskytter kemiske processer. Proteiner med hydrofobiske områder flyder i lipiddobbeltlaget. Disse molekyler styrer transporten af ladede eller lipofobiske molekyler ind og ud af cellen, f.eks. energimolekyler og affaldsprodukter. Nogle af disse lipider har også tilknyttede kulhydratmolekyler, der stikker ud af membranen, og som er vigtige for cellegenkendelse som tidligere nævnt.

Lipider er også vigtige energilagringsmolekyler. Kulhydrater kan bruges med det samme, og lipider giver langtidsopbevaring af energi. Lipider ophobes i fedtceller (fedtceller) i kroppen. Som en del af den kataboliske proces, der stammer fra den tid, hvor mennesket måtte søge efter mad, kan overskydende kulhydrater omdannes til lipider, som derefter lagres i fedtvævet. I sidste ende fører for mange indtagne kulhydrater og lipider til fedme.