Anatomia ja fysiologia I

Esittely

Aminohapot ovat proteiinien rakennusaineita. Yksittäisten proteiinien aminohappojen järjestys on koodattu solun DNA:ssa. Luonnossa esiintyvien 20 eri aminohapon fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät proteiinin muodon ja sen vuorovaikutuksen ympäristönsä kanssa. Tietyt lyhyet aminohapposekvenssit proteiinissa sanelevat myös sen, missä proteiini sijaitsee solussa. Proteiinit koostuvat sadoista tai tuhansista aminohapoista. Kuten voitte kuvitella, proteiinien taittuminen on monimutkainen prosessi, ja aminohappojen yhdistelmien suuren määrän vuoksi on olemassa monia mahdollisia muotoja. Ymmärtämällä aminohappojen ominaisuuksia saat käsityksen proteiinien taittumisen rajoista ja opit ennustamaan proteiinin mahdollisen korkeamman asteen rakenteen.

Kaikkien aminohappojen selkärangan rakenne on sama: α -hiileen on kiinnittynyt aminoryhmä (α-aminoryhmä eli α-aminoryhmä), karboksyyliryhmä, α -vety ja erilaisia funktionaalisia ryhmiä (R).

α-aminohapon yleinen rakenne. Happoryhmä on karboksyylihappo. Karboksyylihappoon kiinnittynyt hiili on α-hiili. Jos R-ryhmä olisi hiiliatomi, se olisi β -hiili.

Jos kaikilla aminohapoilla on sama perusrakenne, jossa amino-, karboksyyli- ja vetyryhmä on kiinnittynyt alfa-hiileen, niin aminohappojen ominaisuuksien ja rakenteen suuren vaihtelun on tultava alfa-hiileen kiinnittyneestä neljännestä ryhmästä. Tätä ryhmää kutsutaan aminohapon sivuketjuksi tai R-ryhmäksi.

20 yleisen aminohapon rakenteet on esitetty alla olevassa taulukossa. Yksinkertaisin aminohappo, glysiini, on esitetty vasemmassa yläkulmassa. Glysiinin pääketjun atomit on korostettu keltaisella ja sen sivuketju (H) vihreällä. Kaikilla aminohapoilla on samat pääketjun atomit, mutta sivuketjut eroavat toisistaan. Muissa piirroksissa α-protonit on selvyyden vuoksi jätetty pois.

Näiden aminohappojen sivuketjuryhmät sisältävät monia yhteisiä atomiryhmiä, joita kutsutaan funktionaalisiksi ryhmiksi. Suurin osa funktionaalisista ryhmistä, kuten hydroksyyliryhmä (-OH), on yleisesti polaarisia, jolloin ne voivat olla vuorovaikutuksessa veden kanssa. Tarkemmat tiedot funktionaalisista ryhmistä löytyvät funktionaalisten ryhmien interaktiivisesta taulukosta, johon pääsee klikkaamalla alla olevaa Learn by Doing -linkkiä.

Peptidisidokset

Proteiinit ovat aminohappojen polymeerejä. Aminohapot liittyvät toisiinsa kondensaatioreaktiolla. Jokaista polymeerin sisältämää aminohappoa kutsutaan ”jäännökseksi”. Yksittäiset aminohapot liitetään toisiinsa kiinnittämällä yhden aminohapon aminoryhmän typpi toisen aminohapon karboksyyliryhmän karbonyylihiileen (C=O), jolloin syntyy kovalenttinen peptidisidos ja syntyy vesimolekyyli, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Tuloksena syntyvä peptidiketju on lineaarinen ja sillä on määritellyt päät. Lyhyitä polymeerejä (alle 50 jäämää tai aminohappoa) kutsutaan yleensä peptideiksi ja pidempiä polymeerejä polypeptideiksi. Useat polypeptidit yhdessä voivat muodostaa joitakin suuria proteiineja. Koska synteesi tapahtuu yhden aminohapon alfa-aminoryhmästä toisen aminohapon karboksyyliryhmään, seurauksena on, että kasvavan polymeerin toisessa päässä (N-terminaalissa) on aina vapaa aminoryhmä ja toisessa päässä (C-terminaalissa) vapaa karboksyyliryhmä.

Huomaa, että sen jälkeen, kun aminohappo on sisällytetty proteiiniin, amino- ja karboksiterminaalien varaukset ovat hävinneet, joten pääketjun atomeista on tullut polaarisia toiminnallisia ryhmiä. Koska jokaisella proteiinin jäännöksellä on täsmälleen samat pääketjun atomit, proteiinin funktionaalisten ominaisuuksien on synnyttävä erilaisista sivuketjuryhmistä.

Konvention mukaan peptidien ja proteiinien sekvenssit kirjoitetaan siten, että N-terminaali on vasemmalla ja C-terminaali oikealla. N-terminaalisen jäännöksen nimi on aina ensimmäinen aminohappo. Tämän jälkeen seuraa kunkin aminohapon nimi. Proteiinin alkusekvenssi viittaa sen aminohapposekvenssiin.

Nukleiinihapot

Ensisijaisesti solun ytimessä sijaitsevat nukleiinihapot (tästä nimi) ovat monistuvia makromolekyylejä. Tärkeimmät niistä ovat DNA ja RNA. Ilman niitä solut eivät voisi monistua, jolloin elämä olisi mahdotonta. Nämä molekyylit tallentavat solun ”ohjelmiston” eli ohjeet, jotka ohjaavat solun toimintaa, prosesseja ja rakennetta. Koodi koostuu neljän emäksen -adeniinin, sytosiinin, guaniinin ja tymiinin (RNA:ssa urasiilin) – sekvensseistä. Nämä on järjestetty kolmen emäksen sarjoihin, joita kutsutaan tripleteiksi. Kukin tripletti määrittää aminohapon, joka puolestaan on proteiinimakromolekyylin osa. Kaikki ihmiskehon monimutkainen monimutkaisuus syntyy informaatiosta, jonka koodaavat vain neljä kemikaalia yhdessä pitkässä DNA-makromolekyylissä.

Ihmisillä virheet DNA:n ja RNA:n rakenteissa aiheuttavat sairauksia, kuten sirppisoluanemiaa, hemofiliaa, Huntingdonin korea ja joitakin syöpätyyppejä. Pienikin virhe voi aiheuttaa dramaattisen vaikutuksen. Sirppisoluanemia aiheutuu, kun vain yksi aminohappo DNA:n emäsjärjestyksessä muuttuu. Ohjaamalla kemiallisia prosesseja nukleiinihapot opastavat soluja erilaistumaan eri elimiksi. Kehityksen aikana kokonaisia DNA-jaksoja sammutetaan tai aktivoidaan tiettyjen prosessien ohjaamiseksi. Nämä prosessit johtavat erilaisiin soluihin, jotka muodostavat elimiä, kuten sydämen, maksan, ihon ja aivot.

Solun sisällä nukleiinihapot puolestaan järjestäytyvät korkeamman tason rakenteiksi, joita kutsutaan kromosomeiksi. Voit nähdä kromosomit valomikroskoopilla käyttämällä sopivaa väriainetta. Kromosomien varhainen tutkiminen auttoi tutkijoita löytämään ja ymmärtämään nukleiinihappojen roolin solujen lisääntymisessä. Virheet kromosomirakenteessa johtavat toimintahäiriöihin elämän prosesseissa. Esimerkiksi ihmisellä ylimääräinen kromosomi 21 johtaa Downin syndroomaan.

Runko

Geneettisen koodimme määräävät vain neljä DNA:ssa olevaa emästä (G, C, A, T), jotka toistuvat toistuvasti ja ovat järjestäytyneet erityiseen järjestykseen. Esim,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcgcctc ctgcccctgc tggcgcctgct ggccctctctgg 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 ccagcaa

Tämä saattaa vaikuttaa satunnaiselta merkkijonolta G, C, A, T, mutta tämä DNA koodaa ihmisen insuliinia. DNA on järjestäytynyt lineaariseksi polymeeriksi kaksoiskierteeksi ja säilyttää perityn emäsjärjestyksen eli geneettisen koodin. DNA:n tikapuiden ”portailla” on koodi, joka lopulta ohjaa proteiiniemme synteesiä. Tämä geneettisen koodin lineaarinen polymeeri säilyy, kun kaksoissäikeinen DNA transkriboidaan yksisäikeiseksi RNA:ksi.

DNA:n perusyksikkö on nukleotidi. Nukleotidi sisältää fosfaattiryhmän (kuvassa oranssilla), joka lopulta antaa DNA-polymeerille sen varauksen ja yhdistää nukleotidit toisiinsa selkärangassa. Furanoosisokeriryhmä on viisisivuinen sokeri (violetilla). Typpiemäs (esitetty keltaisella) määrää muodostuvan nukleotidin tyypin.

DNA:n ja RNA:n furanoosisokerirenkaiden paikkojen numerointi noudattaa konventiota, jossa sokeripaikkojen merkitsemiseen käytetään ’ (alkusymboli). Riboosin 1′-asemaan liittyy siis typpiemäs ja 2′-, 3′- ja 5′-asemiin hydroksyyliryhmät (OH). Tätä nimikkeistöä käyttäen deoksiriboosia kutsutaan muodollisesti 2′-deoksiriboosiksi (2 prime deoksiriboosi), joka tarkoittaa hydroksyylin häviämistä riboosin 2′-asemasta.

DNA:n ja RNA:n polymeerin selkärangan suurin ero on polymeerin muodostamisessa käytetty sokeri. DNA:ssa (deoksiribonukleiinihapossa) furanoosin 2′-asemassa on vety. RNA:ssa (RiboNucleic Acid) furanoosin 2′-asemassa on OH (hydroksyyli) ja sokeri on monosakkaridi riboosi furanoosikonformaatiossa.

Yksittäisten nukleotidien kytkeytyminen tapahtuu silloittavalla fosfaattimolekyylillä kahden hydroksyyliryhmän välissä, yksi kummallakin furanoosirenkaalla. Tuloksena syntyvä polymeeri on ketju furanoosimolekyylejä, jotka on yhdistetty fosfodiesterisidoksilla yhdeksi hyvin pitkäksi makromolekyyliksi.

Seuraavassa on lueteltu DNA/RNA:n polymeerin selkärangan rakenteellisia ominaisuuksia.

• Fosfaatti-riboosi(deoksiriboosi)-fosfaatti…riboosi(deoksiriboosi)-sekvenssi
• Kytketty fosfodiesterikovalenttisilla sidoksilla
• yhden riboosin(deoksiriboosin) 3′-asento kytkeytyy viereisen riboosin(deoksiriboosin) 5′-asentoon fosfodiesterin välityksellä. silta
• ketjulla on 3′-pää ja 5′-pää

Vetysidokset emästen välillä

DNA:n kaksoiskierre pysyy paikoillaan puriinien ja pyrimidiinien vetysidosten avulla.

Esimerkki puriinit ja pyrimidiinit. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Muistakaa, että vetysidokset ovat heikkoja vuorovaikutuksia, eivät kuten fosfaatti-furanoosirungon kovalenttiset sidokset. Näin ollen DNA pysyy koossa, mutta se voidaan vetää erilleen transkriptiota varten RNA:ksi tai DNA:n replikaatiota varten.

Jotta DNA:n kahden säikeen välinen etäisyys pysyisi tasaisena, suurempien puriinien on sitouduttava pienempien pyrimidiinien kanssa. Erityisesti A sitoutuu aina T:n kanssa ja G sitoutuu aina C:n kanssa DNA:ssa. Hyödyllinen muistikuva on, että A ja T ovat kulmikkaita kirjaimia ja G ja C ovat molemmat kaarevia.

DNA:n transkriptio

DNA:n replikaatio: Aina kun solu jakautuu, koko perimän DNA monistetaan (kutsutaan replikaatioksi) siten, että jokaisella jakautumisen jälkeisellä solulla (kutsutaan tyttärisoluksi) on sama DNA kuin alkuperäisellä solulla (kutsutaan emosoluksi).

DNA:n transkriptio: Jotta geneettinen koodi muuttuisi proteiiniksi, se käy läpi transkriptiovaiheen. DNA transkriboidaan RNA:ksi (yksijuosteinen nukleiinihappo). Tämän jälkeen RNA sukkuloidaan pois DNA:sta proteiinisynteesin alueelle.

RNA:n translaatio: RNA käännetään nukleiinihappokoodista proteiinin aminohapposekvenssiksi.

Siten DNA:n geenikoodi pystyy monistumaan, jotta se säilyy johdonmukaisena koko ihmisen elimistössä ja koko ihmisen elämän ajan. DNA:sta valmistetaan myös proteiineja RNA-välikappaleen avulla.

Lipidit

Lipideihin kuuluvat rasvat ja vahat. Useat vitamiinit, kuten A-, D-, E- ja K-vitamiinit, ovat lipidiliukoisia. Lipidien ehkä tärkein tehtävä on solujen ja organellien kalvojen muodostaminen. Näin lipidit mahdollistavat kemiallisten prosessien eristämisen ja hallinnan. Niillä on myös merkitystä energian varastoinnissa ja solujen viestinvälityksessä.

Solukalvoja muodostavat lipidimolekyylit koostuvat hydrofiilisestä ”päästä” ja hydrofobisesta ”hännästä” (muistakaa, että ”hydro” tarkoittaa vettä ja ”filos” rakkautta; ”hydro” tarkoittaa vettä, ”fobinen” pelkoa). Fosfolipidikaksoiskerros muodostuu, kun fosfolipidimolekyylien kaksi kerrosta järjestäytyvät siten, että hydrofobiset hännät kohtaavat keskellä. Tutkijat uskovat, että solun kaltaisten lipidipallojen muodostuminen oli elintärkeä esiaste soluelämän synnylle, sillä kalvot erottavat solunsisäiset komponentit fyysisesti solunulkoisesta ympäristöstä. Näin ollen lipidikalvot sulkevat sisäänsä muita makromolekyylejä, rajoittavat tilavuuksia reaktiomahdollisuuksien lisäämiseksi ja suojaavat kemiallisia prosesseja. Proteiinit, joilla on hydrofobisia alueita, kelluvat lipidikaksoiskerroksessa. Nämä molekyylit säätelevät varattujen tai lipofobisten molekyylien, kuten energiamolekyylien ja jätetuotteiden, kuljettamista solun sisään ja ulos. Joihinkin näistä lipideistä on myös kiinnittynyt kalvosta ulkonevia hiilihydraattimolekyylejä, jotka ovat tärkeitä solun tunnistamisen kannalta, kuten aiemmin mainittiin.

Lipidit ovat myös elintärkeitä energiavarastomolekyylejä. Hiilihydraatit voidaan käyttää heti, ja lipidit tarjoavat pitkäaikaisen energiavaraston. Lipidit kerääntyvät kehon rasvasoluihin (rasvasoluihin). Osana katabolista prosessia, joka juontaa juurensa ajoilta, jolloin ihmisen täytyi etsiä ruokaa, ylimääräiset hiilihydraatit voidaan muuttaa lipideiksi, jotka varastoituvat rasvakudokseen. Lopulta liikaa nautitut hiilihydraatit ja lipidit johtavat lihavuuteen.