Anatómia és élettan I

Bevezetés

A fehérjék építőkövei az aminosavak. Az egyes fehérjékben lévő aminosavak sorrendjét a sejt DNS-e kódolja. A természetben előforduló 20 különböző aminosav fizikai és kémiai tulajdonságai diktálják a fehérje alakját és a környezetével való kölcsönhatásait. A fehérjében lévő aminosavak bizonyos rövid szekvenciái azt is meghatározzák, hogy a fehérje hol helyezkedik el a sejtben. A fehérjék több száz vagy ezer aminosavból állnak. Amint azt elképzelhetjük, a fehérjék hajtogatása bonyolult folyamat, és az aminosavak nagyszámú kombinációja miatt számos lehetséges forma létezik. Az aminosavak tulajdonságainak megértésével megismerheted a fehérjék hajtogatásának korlátait, és megtanulhatod, hogyan lehet megjósolni a fehérje lehetséges magasabb rendű szerkezetét.

Minden aminosav gerincszerkezete azonos, az α -szénhez egy aminocsoport (az α-amino- vagy alfa-aminocsoport), egy karboxilcsoport, egy α-hidrogén és különböző funkciós csoportok (R) kapcsolódnak.

Az α-aminosav általános szerkezete. A savas csoport egy karbonsav. A karbonsavhoz kötött szén az α-szén. Ha az R csoport egy szénatom lenne, akkor az lenne a β -szén.

Ha minden aminosavnak ugyanaz az alapszerkezete, egy amino-, egy karboxil- és egy, az alfa-szénhez rögzített hidrogénnel, akkor az aminosavak tulajdonságainak és szerkezetének nagyfokú eltérése az alfa-szénhez kötött negyedik csoportból kell, hogy származzon. Ezt a csoportot az aminosav oldalláncának vagy R-csoportnak nevezik.

A 20 leggyakoribb aminosav szerkezetét az alábbi táblázat mutatja. A legegyszerűbb aminosav, a glicin a bal felső sarokban látható. A glicin főláncának atomjai sárgával, az oldallánca (H) pedig zölddel van kiemelve. Minden aminosavnak ugyanazok a főlánc atomjai, de az oldalláncok különböznek. Az egyértelműség kedvéért az α-proton a többi rajzból kimaradt.

Ezen aminosavak oldalláncai számos közös atomcsoportot, úgynevezett funkciós csoportokat tartalmaznak. A funkciós csoportok többsége, mint például a hidroxilcsoport (-OH), általában poláris, ami lehetővé teszi, hogy kölcsönhatásba lépjenek a vízzel. A funkciós csoportok részletei megtalálhatók a funkciós csoportok interaktív táblázatban, amely az alábbi Learn by Doing linkre kattintva érhető el.

Peptidkötések

A fehérjék aminosavak polimerjei. Az aminosavak kondenzációs reakcióval kapcsolódnak össze. A polimerben lévő minden egyes aminosavat “maradéknak” nevezünk. Az egyes aminosavak úgy kapcsolódnak össze, hogy az egyik aminosav aminocsoportjának nitrogénje egy másik aminosav karboxilcsoportjának karbonil szénjéhez (C=O) kapcsolódik, így kovalens peptidkötés jön létre, és egy vízmolekula keletkezik, ahogy az alábbiakban látható.

A kapott peptidlánc lineáris, meghatározott végekkel. A rövid polimereket (kevesebb mint 50 maradék vagy aminosav) általában peptideknek, a hosszabb polimereket pedig polipeptideknek nevezik. Több polipeptid együttesen néhány nagy fehérjét alkothat. Mivel a szintézis az egyik aminosav alfa-aminocsoportjától egy másik aminosav karboxilcsoportjáig történik, az eredmény az, hogy a növekvő polimer egyik végén (az N-terminuson) mindig lesz egy szabad aminocsoport, a másik végén (a C-terminuson) pedig egy szabad karboxilcsoport.

Megjegyezzük, hogy miután az aminosav beépült a fehérjébe, az amino- és karboxi végződések töltései eltűntek, így a főlánc atomjai poláris funkciós csoportok lettek. Mivel a fehérje minden egyes maradékában pontosan ugyanazok a főlánc atomok vannak, a fehérje funkcionális tulajdonságainak a különböző oldallánccsoportokból kell eredniük.

A peptidek és fehérjék szekvenciáit egyezményesen úgy írjuk, hogy az N-terminus balra, a C-terminus pedig jobbra van. Az N-terminális maradék neve mindig az első aminosav. Ezután az egyes aminosavak neve következik. A fehérje elsődleges szekvenciája az aminosav szekvenciájára utal.

Nukleinsavak

A nukleinsavak elsősorban a sejtmagban helyezkednek el (innen a név), a nukleinsavak szaporodó makromolekulák. A legfontosabbak a DNS és az RNS. Nélkülük a sejtek nem tudnának szaporodni, ami lehetetlenné teszi az életet. Ezek a molekulák tárolják a sejt “szoftverét” – a sejt működését, folyamatait és szerkezetét szabályozó utasításokat. A kód négy bázis -adenin, citozin, guanin és timin (az RNS-ben uracil) – szekvenciáiból áll. Ezek hármas csoportokban, úgynevezett triplettekben helyezkednek el. Minden triplett egy-egy aminosavat határoz meg, amely viszont egy fehérjemakromolekula alkotóeleme. Az emberi test egész bonyolult összetettsége egyetlen hosszú DNS-makromolekula mindössze négy vegyi anyag által kódolt információjából ered.

Az emberekben a DNS és az RNS szerkezetében lévő hibák betegségeket okoznak, többek között sarlósejtes vérszegénységet, hemofíliát, Huntingdon-kór és a rák egyes típusait. Már egy kis hiba is drámai hatást eredményezhet. A sarlósejtes betegséget az okozza, ha a DNS bázissorrendjében mindössze egyetlen aminosav módosul. A nukleinsavak kémiai folyamatok irányításával utasítják a sejteket, hogyan differenciálódjanak különböző szervekké. A fejlődés során DNS-szekvenciák egész sorozatait kapcsolják le vagy aktiválják, hogy meghatározott folyamatokat irányítsanak. Ezek a folyamatok különböző típusú sejtekhez vezetnek, amelyek olyan szerveket alkotnak, mint a szív, a máj, a bőr és az agy.

A sejtben a nukleinsavak viszont magasabb szintű struktúrákba, úgynevezett kromoszómákba szerveződnek. A kromoszómákat fénymikroszkóppal, megfelelő festékkel láthatod. A kromoszómák korai tanulmányozása segített a tudósoknak felfedezni és megérteni a nukleinsavak szerepét a sejtek szaporodásában. A kromoszómaszerkezet hibái az életfolyamatok meghibásodásához vezetnek. Az embernél például egy plusz 21-es kromoszóma Down-szindrómát eredményez.

A gerinc

A genetikai kódunkat a DNS-ben mindössze négy bázis (G, C, A, T) határozza meg, amelyek ismétlődnek és különleges sorrendben helyezkednek el. Például,

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 ccagcaaaa

Ez egy véletlenszerű G-sorozatnak tűnhet, C, A, T, de ez a DNS az emberi inzulint kódolja. A DNS lineáris polimerré szerveződik egy kettős spirálban, és fenntartja a bázisok öröklött sorrendjét vagy genetikai kódját. A DNS-létra “lépcsőfokain” található az a kód, amely végső soron a fehérjéink szintézisét irányítja. A genetikai kódnak ez a lineáris polimerje akkor marad fenn, amikor a kettős szálú DNS-t egyszálú RNS-é írjuk át.

A DNS alapvető egysége a nukleotid. A nukleotid tartalmaz egy foszfátcsoportot (narancssárgával ábrázolva), amely végül a DNS-polimer töltését adja, és összeköti a nukleotidokat a gerincen. A furanóz cukorcsoport egy ötoldalú cukor (lilával ábrázolva). A nitrogén bázis (sárgával ábrázolva) határozza meg a képződő nukleotid típusát.

A DNS és az RNS cukor furanózgyűrűinek pozícióinak számozása egy olyan konvenciót követ, amely a ‘ (a prím szimbólum) használatával jelöli a cukorpozíciókat. Így a ribóz 1′ pozíciójához egy nitrogénbázis kapcsolódik, a 2′, 3′ és 5′ pozíciókban pedig hidroxilcsoportok (OH) vannak. Ezt a nómenklatúrát használva a dezoxiribózt formálisan 2′-deoxiribóznak (2 prime dezoxiribóz) nevezik, hogy jelezzék a hidroxil elvesztését a ribóz 2′ pozíciójában.

A DNS és az RNS polimergerincének fő különbsége a polimer kialakításához használt cukor. A DNS-ben (dezoxiribonukleinsav) a furanóz 2′ pozíciójában egy hidrogén található. Az RNS-ben (RiboNukleinsav) a furanóz 2′ pozíciójában egy OH (hidroxil) van, és a cukor a monoszacharid ribóz a furanóz konformációban.

Az egyes nukleotidok összekapcsolódását egy hídképző foszfátmolekula végzi két hidroxilcsoport között, amelyek közül egy-egy furanózgyűrűn található. Az így létrejövő polimer a furanózmolekulák foszfodiészterkötésekkel összekapcsolt sorozata, egyetlen nagyon hosszú makromolekula.

A következőkben a DNS/RNS polimer gerincének szerkezeti jellemzőit soroljuk fel.

• Foszfát-ribóz(dezoxiribóz)-foszfát.ribóz(dezoxiribóz) szekvencia
• Foszfodiészter kovalens kötésekkel kapcsolódik
• Az egyik ribóz(dezoxiribóz) 3′ pozíciója a szomszédos ribóz(dezoxiribóz) 5′ pozíciójához kapcsolódik foszfodiészteren keresztül. híd
• A láncnak 3′ vége és 5′ vége van

Bázisok közötti hidrogénkötés

A DNS kettős spirált a purinok és pirimidinek hidrogénkötése tartja a helyén.

Példa purinok és pirimidinek. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Megjegyezzük, hogy a hidrogénkötések gyenge kölcsönhatások, nem olyanok, mint a foszfát-furanóz gerinc kovalens kötései. Így a DNS-t összetartják, de az RNS-re történő átíráshoz vagy a DNS-replikációhoz szét lehet húzni.

A DNS két szála közötti egyenlő távolság fenntartásához a nagyobb purinoknak a kisebb pirimidinekhez kell kötődniük. Konkrétan az A mindig a T-vel, a G pedig mindig a C-vel kötődik a DNS-ben. Hasznos memóriaeszköz, hogy az A és a T szögletes betűk, a G és a C pedig görbe.

DNS-átírás

DNS-replikáció: Minden alkalommal, amikor egy sejt osztódik, a genom teljes DNS-ét megkettőzzük (ezt nevezzük replikációnak), hogy az osztódás után minden sejt (amit leánysejtnek nevezünk) ugyanolyan DNS-sel rendelkezzen, mint az eredeti sejt (amit anyasejtnek nevezünk).

DNS átírás: Ahhoz, hogy a genetikai kód fehérjévé váljon, átírási lépésen megy keresztül. A DNS-t RNS-vé (egyszálú nukleinsavvá) írják át. Az RNS ezután a DNS-től a fehérjeszintézis régiójába kerül.

RNS-transzláció: Az RNS a nukleinsavkódból a fehérje aminosavsorrendjévé alakul át.

Így a DNS génkódja képes megkettőződni, hogy az ember egész testében és egész életében megőrizze az állandóságot. A DNS-t egy RNS köztitermék felhasználásával fehérjék előállítására is használják.

Lipidek

A lipidek közé tartoznak a zsírok és a viaszok. Számos vitamin, mint például az A-, D-, E- és K-vitamin, lipidben oldódik. A lipidek talán legfontosabb szerepe a sejtek és organellumok membránjainak kialakításában van. Ily módon a lipidek lehetővé teszik a kémiai folyamatok elkülönítését és szabályozását. Az energiatárolásban és a sejtek jelátvitelében is szerepet játszanak.

A sejtmembránokat alkotó lipidmolekulák egy hidrofil “fejből” és egy hidrofób “farokból” állnak (ne feledjük, a “hidro” vizet jelent, a “filosz” pedig szeretetet; a “hidro” vizet, a “fób” pedig félelmet). A foszfolipid kettősréteg akkor jön létre, amikor a foszfolipidmolekulák két rétege úgy rendeződik, hogy a hidrofób farok középen találkozik. A tudósok úgy vélik, hogy a lipidekből álló sejtszerű gömböcskék kialakulása a sejtes élet kialakulásának létfontosságú előfutára volt, mivel a membránok fizikailag elválasztják a sejten belüli komponenseket a sejten kívüli környezettől. Így a lipidmembránok más makromolekulákat zárnak be, a reakció lehetőségének növelése érdekében behatárolják a térfogatokat, és védik a kémiai folyamatokat. A hidrofób régiókkal rendelkező fehérjék lebegnek a lipid kettősrétegen belül. Ezek a molekulák szabályozzák a töltött vagy lipofób molekulák, például az energiamolekulák és a salakanyagok sejten belüli és kívüli szállítását. E lipidek némelyikéhez szénhidrátmolekulák is kapcsolódnak, amelyek kiállnak a membránból, és fontosak a sejtek felismerésében, amint azt korábban említettük.

A lipidek létfontosságú energiatároló molekulák is. A szénhidrátok azonnal felhasználhatók, a lipidek pedig hosszú távú energiatárolást biztosítanak. A lipidek a test zsírsejtjeiben (zsírsejtekben) halmozódnak fel. A katabolikus folyamat részeként, még azokból az időkből, amikor az embereknek táplálékot kellett gyűjteniük, a felesleges szénhidrátok lipidekké alakíthatók, amelyek aztán a zsírszövetben tárolódnak. Végső soron a túl sok bevitt szénhidrát és lipid elhízáshoz vezet.