Anatomie und Physiologie I

Einführung

Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Die Reihenfolge der Aminosäuren in den einzelnen Proteinen ist in der DNA der Zelle verschlüsselt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der 20 verschiedenen natürlich vorkommenden Aminosäuren bestimmen die Form des Proteins und seine Wechselwirkungen mit seiner Umgebung. Bestimmte kurze Sequenzen von Aminosäuren im Protein bestimmen auch, wo sich das Protein in der Zelle befindet. Proteine setzen sich aus Hunderten bis Tausenden von Aminosäuren zusammen. Wie Sie sich vorstellen können, ist die Proteinfaltung ein komplizierter Prozess, und aufgrund der großen Anzahl von Aminosäurekombinationen gibt es viele mögliche Formen. Indem Sie die Eigenschaften der Aminosäuren verstehen, gewinnen Sie ein Verständnis für die Grenzen der Proteinfaltung und lernen, wie man die potenzielle Struktur höherer Ordnung des Proteins vorhersagen kann.

Alle Aminosäuren haben die gleiche Grundstruktur, mit einer Aminogruppe (der α-Amino- oder Alpha-Aminogruppe), einer Carboxylgruppe, einem α-Wasserstoff und einer Vielzahl von funktionellen Gruppen (R), die alle an den α-Kohlenstoff gebunden sind.

Die allgemeine Struktur einer α-Aminosäure. Die saure Gruppe ist eine Carboxylsäure. Der Kohlenstoff, der an die Carbonsäure gebunden ist, ist der α-Kohlenstoff. Wenn die R-Gruppe ein Kohlenstoffatom wäre, wäre es der β-Kohlenstoff.

Wenn alle Aminosäuren die gleiche Grundstruktur mit einem Amino-, einem Carboxyl- und einem Wasserstoffatom am Alpha-Kohlenstoff haben, dann müssen die großen Unterschiede in den Eigenschaften und der Struktur der Aminosäuren von der vierten Gruppe herrühren, die an den Alpha-Kohlenstoff gebunden ist. Diese Gruppe wird als Seitenkette der Aminosäure oder als R-Gruppe bezeichnet.

Die Strukturen der 20 häufigsten Aminosäuren sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Die einfachste Aminosäure, Glycin, ist oben links dargestellt. Die Hauptkettenatome von Glycin sind gelb hervorgehoben, die Seitenkette (H) ist grün hervorgehoben. Alle Aminosäuren haben die gleichen Hauptkettenatome, unterscheiden sich aber in den Seitenketten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird das α-Proton in den übrigen Zeichnungen weggelassen.

Die Seitenkettengruppen dieser Aminosäuren enthalten viele gemeinsame Gruppen von Atomen, die als funktionelle Gruppen bezeichnet werden. Die meisten funktionellen Gruppen, wie z. B. die Hydroxylgruppe (-OH), sind in der Regel polar, so dass sie mit Wasser wechselwirken können. Einzelheiten zu den funktionellen Gruppen finden Sie in der interaktiven Tabelle der funktionellen Gruppen, die Sie durch Klicken auf den Link Lernen durch Handeln unten aufrufen können.

Peptidbindungen

Proteine sind Polymere aus Aminosäuren. Die Aminosäuren werden durch eine Kondensationsreaktion miteinander verbunden. Jede Aminosäure im Polymer wird als „Rest“ bezeichnet. Einzelne Aminosäuren werden miteinander verbunden, indem der Stickstoff einer Aminogruppe einer Aminosäure an den Carbonylkohlenstoff (C=O) der Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure gebunden wird, um eine kovalente Peptidbindung zu schaffen und ein Wassermolekül zu erhalten, wie unten gezeigt.

Die resultierende Peptidkette ist linear mit definierten Enden. Kurze Polymere (weniger als 50 Reste oder Aminosäuren) werden gewöhnlich als Peptide bezeichnet, längere Polymere als Polypeptide. Mehrere Polypeptide zusammen können einige große Proteine bilden. Da die Synthese von der Alpha-Aminogruppe einer Aminosäure zur Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure erfolgt, gibt es immer eine freie Aminogruppe an einem Ende des wachsenden Polymers (dem N-Terminus) und eine freie Carboxylgruppe am anderen Ende (dem C-Terminus).

Nach dem Einbau der Aminosäure in das Protein sind die Ladungen an den Amino- und Carboxytermini verschwunden, so dass die Hauptkettenatome zu polaren funktionellen Gruppen geworden sind. Da jeder Rest in einem Protein genau die gleichen Hauptkettenatome hat, müssen die funktionellen Eigenschaften eines Proteins von den verschiedenen Seitenkettengruppen herrühren.

Nach der Konvention werden die Sequenzen von Peptiden und Proteinen mit dem N-Terminus auf der linken Seite und dem C-Terminus auf der rechten Seite geschrieben. Der Name des N-terminalen Restes ist immer die erste Aminosäure. Danach folgt der Name der einzelnen Aminosäuren. Die Primärsequenz eines Proteins bezieht sich auf seine Aminosäuresequenz.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren befinden sich in erster Linie im Zellkern (daher der Name) und sind replizierende Makromoleküle. Die wichtigsten sind die DNA und die RNA. Ohne sie könnten sich Zellen nicht replizieren, was Leben unmöglich macht. In diesen Molekülen ist die „Software“ der Zelle gespeichert – die Anweisungen, die ihre Funktion, ihre Prozesse und ihre Struktur steuern. Der Code besteht aus Sequenzen von vier Basen – Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin (Uracil in RNA). Diese sind in Dreiergruppen angeordnet, den so genannten Tripletts. Jedes Triplett spezifiziert eine Aminosäure, die wiederum ein Bestandteil eines Proteinmakromoleküls ist. Die gesamte komplizierte Komplexität des menschlichen Körpers ergibt sich aus der Information, die von nur vier Chemikalien in einem einzigen langen DNA-Makromolekül kodiert wird.

Beim Menschen verursachen Fehler in den Strukturen von DNA und RNA Krankheiten, darunter Sichelzellenanämie, Hämophilie, Chorea Huntingdon und einige Arten von Krebs. Schon ein kleiner Fehler kann dramatische Auswirkungen haben. Die Sichelzellenanämie wird verursacht, wenn nur eine Aminosäure in der DNA-Basensequenz verändert ist. Durch die Steuerung chemischer Prozesse weisen die Nukleinsäuren die Zellen an, sich in verschiedene Organe zu differenzieren. Während der Entwicklung werden ganze Sätze von DNA-Sequenzen abgeschaltet oder aktiviert, um bestimmte Prozesse zu steuern. Diese Prozesse führen zu verschiedenen Arten von Zellen, die Organe wie Herz, Leber, Haut und Gehirn bilden.

In der Zelle sind die Nukleinsäuren wiederum in übergeordneten Strukturen organisiert, die Chromosomen genannt werden. Man kann Chromosomen mit einem Lichtmikroskop sehen, wenn man eine geeignete Färbung verwendet. Die frühe Untersuchung der Chromosomen half den Wissenschaftlern, die Rolle der Nukleinsäuren bei der zellulären Reproduktion zu entdecken und zu verstehen. Fehler in der Chromosomenstruktur führen zu Fehlfunktionen von Lebensprozessen. Beim Menschen führt zum Beispiel ein zusätzliches Chromosom 21 zum Down-Syndrom.

Das Rückgrat

Unser genetischer Code wird durch nur vier Basen in der DNA (G, C, A, T) bestimmt, die sich wiederholen und in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Zum Beispiel,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc tggcgctgct ggccctctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctacc

181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttctctaca cacccaagac ccgccgggag gcaggacc

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

Dies mag wie eine zufällige Aneinanderreihung von G, C, A, T erscheinen, aber diese DNA kodiert für menschliches Insulin. Die DNA ist als lineares Polymer in einer Doppelhelix organisiert und behält die vererbte Reihenfolge der Basen oder den genetischen Code bei. Die „Stufen“ der DNA-Leiter enthalten den Code, der letztlich die Synthese unserer Proteine steuert. Dieses lineare Polymer des genetischen Codes wird beibehalten, wenn die doppelsträngige DNA in einzelsträngige RNA umgeschrieben wird.

Die grundlegende Einheit der DNA ist das Nukleotid. Das Nukleotid enthält eine Phosphatgruppe (in orange dargestellt), die dem DNA-Polymer schließlich seine Ladung verleiht und die Nukleotide auf dem Rückgrat miteinander verbindet. Die Furanosegruppe ist ein fünfseitiger Zucker (lila dargestellt). Die stickstoffhaltige Base (gelb dargestellt) bestimmt die Art des gebildeten Nukleotids.

Die Nummerierung der Positionen auf den Zucker-Furanose-Ringen von DNA und RNA folgt einer Konvention, die ‚ (das Primzahl-Symbol) zur Bezeichnung der Zuckerpositionen verwendet. So hat die Ribose eine Stickstoffbase an der Position 1′ und Hydroxylgruppen (OH) an den Positionen 2′, 3′ und 5′. Unter Verwendung dieser Nomenklatur wird Desoxyribose formal als 2′-Desoxyribose (2 prime deoxyribose) bezeichnet, um den Verlust des Hydroxyls an der 2‘-Position der Ribose zu kennzeichnen.

Der Hauptunterschied in den Polymerrückgraten zwischen DNA und RNA ist der Zucker, der bei der Bildung des Polymers verwendet wird. In der DNA (DeoxyriboNucleic Acid) hat die 2′-Position der Furanose einen Wasserstoff. In der RNA (RiboNucleic Acid) hat die 2′-Position der Furanose ein OH (Hydroxyl) und der Zucker ist das Monosaccharid Ribose in der Furanose-Konformation.

Die Verknüpfung der einzelnen Nukleotide erfolgt durch ein überbrückendes Phosphatmolekül zwischen zwei Hydroxylgruppen, eine an jedem Furanosering. Das resultierende Polymer ist eine Aneinanderreihung von Furanosemolekülen, die durch Phosphodiesterbindungen zu einem sehr langen Makromolekül verbunden sind.

Nachfolgend finden Sie eine Liste der strukturellen Merkmale des DNA/RNA-Polymerrückgrats.

• Phosphat-Ribose(Desoxyribose)-Phosphat-Ribose(Desoxyribose)-Sequenz
• Verbunden durch kovalente Phosphodiester-Bindungen
• 3′-Position an einer Ribose(Desoxyribose) verbunden mit 5′-Position der benachbarten Ribose(Desoxyribose) durch Phosphodiester Brücke
• Die Kette hat ein 3′-Ende und ein 5′-Ende

Wasserstoffbindung zwischen Basen

Die DNA-Doppelhelix wird durch die Wasserstoffbindung von Purinen zu Pyrimidinen zusammengehalten.

Beispiel Purine und Pyrimidine. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Erinnern Sie sich, dass Wasserstoffbrückenbindungen schwache Wechselwirkungen sind, nicht wie die kovalenten Bindungen des Phosphat-Furanose-Rückgrats. So wird die DNA zusammengehalten, kann aber für die Transkription in RNA oder für die DNA-Replikation auseinandergezogen werden.

Um den gleichen Abstand zwischen den beiden DNA-Strängen aufrechtzuerhalten, müssen sich die größeren Purine mit den kleineren Pyrimidinen verbinden. Genauer gesagt, bindet A immer an T und G immer an C in der DNA. Eine nützliche Gedächtnisstütze ist, dass A und T eckige Buchstaben sind und G und C beide kurvig sind.

DNA-Transkription

DNA-Replikation: Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, wird die gesamte DNA des Genoms dupliziert (Replikation genannt), so dass jede Zelle nach der Teilung (Tochterzelle genannt) die gleiche DNA hat wie die ursprüngliche Zelle (Mutterzelle genannt).

DNA-Transkription: Damit aus dem genetischen Code ein Protein werden kann, durchläuft er einen Transkriptionsschritt. Die DNA wird in RNA (eine einzelsträngige Nukleinsäure) umgeschrieben. Die RNA wird dann von der DNA in die Region der Proteinsynthese verlagert.

RNA-Translation: RNA wird von einem Nukleinsäurecode in die Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt.

Der DNA-Gencode ist also in der Lage, sich zu vervielfältigen, um die Konsistenz im gesamten Körper und während des gesamten Lebens des Menschen zu erhalten. Die DNA wird auch zur Herstellung von Proteinen verwendet, und zwar mithilfe eines RNA-Zwischenprodukts.

Lipide

Lipide umfassen Fette und Wachse. Mehrere Vitamine, wie A, D, E und K, sind lipidlöslich. Die vielleicht wichtigste Rolle der Lipide besteht in der Bildung der Membranen von Zellen und Organellen. Auf diese Weise ermöglichen Lipide die Isolierung und Kontrolle von chemischen Prozessen. Sie spielen auch eine Rolle bei der Energiespeicherung und der Zellsignalisierung.

Lipidmoleküle, die Zellmembranen bilden, bestehen aus einem hydrophilen „Kopf“ und einem hydrophoben „Schwanz“ (zur Erinnerung: „hydro“ bedeutet Wasser und „philos“ bedeutet Liebe; „hydro“ bedeutet Wasser, „phob“ bedeutet Angst). Eine Phospholipid-Doppelschicht entsteht, wenn sich die beiden Schichten von Phospholipidmolekülen so organisieren, dass sich die hydrophoben Schwänze in der Mitte treffen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Bildung zellartiger Lipidkügelchen eine wichtige Vorstufe zur Entstehung des zellulären Lebens war, da Membranen die intrazellulären Bestandteile physisch von der extrazellulären Umgebung trennen. So umschließen Lipidmembranen andere Makromoleküle, begrenzen Volumina, um die Reaktionsmöglichkeiten zu erhöhen, und schützen chemische Prozesse. Proteine mit hydrophoben Bereichen schwimmen innerhalb der Lipiddoppelschicht. Diese Moleküle regeln den Transport geladener oder lipophober Moleküle in die Zelle hinein und aus ihr heraus, z. B. von Energiemolekülen und Abfallprodukten. Einige dieser Lipide haben auch angehängte Kohlenhydratmoleküle, die aus der Membran herausragen und, wie bereits erwähnt, für die Zellerkennung wichtig sind.

Lipide sind auch wichtige Energiespeichermoleküle. Kohlenhydrate können sofort verbraucht werden, während Lipide eine langfristige Energiespeicherung ermöglichen. Lipide reichern sich in den Fettzellen des Körpers an. Im Rahmen des katabolen Prozesses, der noch aus der Zeit stammt, als der Mensch auf Nahrungssuche gehen musste, können überschüssige Kohlenhydrate in Fette umgewandelt werden, die dann im Fettgewebe gespeichert werden. Letztendlich führen zu viele aufgenommene Kohlenhydrate und Fette zu Fettleibigkeit.