Anatomy and Physiology I

Introduction

Amino acids are building blocks of proteins. 個々のタンパク質のアミノ酸の配列は、細胞のDNAにコード化されている。 20種類の天然アミノ酸の物理的、化学的特性は、タンパク質の形と環境との相互作用を決定する。 また、タンパク質中の特定の短いアミノ酸の配列は、タンパク質が細胞内のどこに存在するかを決定する。 タンパク質は、数百から数千のアミノ酸から構成されています。 想像できるように、タンパク質の折り畳みは複雑なプロセスであり、アミノ酸の組み合わせの数が多いため、多くの形状の可能性があります。 アミノ酸の特性を理解することで、タンパク質の折り畳みの限界を理解し、タンパク質の潜在的な高次構造を予測する方法を学ぶことができます。

すべてのアミノ酸は、α-炭素にアミノ基（またはα-アミノ基）、カルボキシル基、α-水素、さまざまな機能基（R）が付いた同じ基幹構造を持っています。

α-アミノ酸の一般構造。 酸性基はカルボン酸である。 カルボン酸に結合している炭素がα炭素である。 R基が炭素原子であれば、β-炭素となる。

すべてのアミノ酸がα炭素にアミノ基、カルボキシル基、水素が固定された同じ基本構造であるとすると、アミノ酸の性質や構造に大きな違いがあるのは、α炭素に結合した第4の基が原因であるはずだ。 この基をアミノ酸の側鎖またはR基と呼ぶ。

一般的な20種のアミノ酸の構造を下表に示す。 最も単純なアミノ酸であるグリシンは、左上に示されている。 グリシンの主鎖原子は黄色、側鎖（H）は緑でハイライトされている。 すべてのアミノ酸は、主鎖の原子は同じだが、側鎖が異なる。 わかりやすくするために、残りの図面ではα-プロトンを省略しています。

これらのアミノ酸の側鎖基は、官能基と呼ばれる多くの共通の原子団を含んでいます。 水酸基（-OH）などの官能基の大部分は共通して極性を持ち、水と相互作用することができる。 官能基の詳細は、下のLearn by Doingリンクをクリックしてアクセスできる官能基インタラクティブ・チャートで見ることができます。

ペプチド結合

タンパク質はアミノ酸の重合体です。 アミノ酸は縮合反応によって結合しています。 ポリマー中の各アミノ酸は「残基」と呼ばれる。 個々のアミノ酸は、以下に示すように、あるアミノ酸のアミノ基の窒素が、別のアミノ酸のカルボキシル基のカルボニル炭素（C=O）に結合して、共有結合のペプチド結合ができ、水の分子が得られる。

得られたペプチド鎖は直鎖状で末端が明確である。 短いポリマー（50残基以下またはアミノ酸）は通常ペプチドと呼ばれ、長いポリマーはポリペプチドと呼ばれる。 いくつかのポリペプチドが一緒になって、いくつかの大きなタンパク質を形成することができる。 アミノ酸のα-アミノ基から別のアミノ酸のカルボキシル基へと合成されるため、成長するポリマーの一端（N末端）には常に遊離アミノ基が、他端（C末端）には遊離カルボキシル基が存在することになる。

なお、アミノ酸がタンパク質に組み込まれると、アミノおよびカルボキシ末端の電荷は消滅し、主鎖原子は極性官能基となった。 タンパク質の各残基は全く同じ主鎖原子を持っているので、タンパク質の機能的特性は異なる側鎖基から生じるに違いない。

慣習上、ペプチドとタンパク質の配列は左がN末端、右がC末端と書かれる。 N-末端残基の名前は常に最初のアミノ酸である。 その後、各アミノ酸の名前が続く。 7728>

核酸

核酸は主に細胞核に存在し（これが名前の由来）、複製を行う高分子物質である。 最も重要なのはDNAとRNAです。 これがなければ、細胞は複製することができず、生命を維持することは不可能である。 これらの分子は、細胞の「ソフトウェア」、つまり細胞の機能、プロセス、構造を支配する命令を保存しています。 このコードは、アデニン、シトシン、グアニン、チミン（RNAではウラシル）の4つの塩基の配列で構成されています。 この4つの塩基は、トリプレットと呼ばれる3つ1組で構成されています。 各三連符はアミノ酸を指定し、そのアミノ酸がタンパク質高分子の構成要素となる。 7728>

人間の場合、DNAとRNAの構造に誤りがあると、鎌状赤血球貧血、血友病、ハンチントン病、ある種の癌などの病気を引き起こします。 小さな間違いでも、劇的な効果をもたらすことがあるのです。 鎌状赤血球症は、DNAの塩基配列の中のたった1つのアミノ酸が変化しただけで発症する。 核酸は、化学的なプロセスを指示することで、細胞に様々な器官への分化を指示します。 発生過程では、DNA配列の全セットが停止または活性化され、特定のプロセスを推進します。 7728>

細胞内では、核酸は染色体という高次構造体に組織化されます。 染色体は、適切な染色剤を用いて、光学顕微鏡で観察することができます。 染色体の初期の研究は、細胞の生殖における核酸の役割を発見し、理解するのに役立ちました。 染色体構造のエラーは、生命現象の不具合につながる。 例えば、人間の場合、21番染色体が余分にあるとダウン症になります。

The Backbone

我々の遺伝コードはDNA中のたった4つの塩基（G、C、A、T）によって決まり、それらが特殊な順序で繰り返されて配列されているのである。 たとえば

1 agccctccag gacaggctgc atcagaag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgccctgc tggcctgct ggccctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctacc

181 tagtgtcgg ggaacgaggc ttcttaca cacccaagac ccgccgggag gcagagacc

241 tgcaggtggg gcaggtggag ctgggcgg gccctggc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggag gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctctacc agcatctgct

361 ccctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacccg

421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

これはGのランダム文字列に見えるかもしれません。 しかし、このDNAはヒトのインスリンをコードしているのです。 DNAは二重らせんの線状ポリマーに組織化され、受け継がれた塩基の順序または遺伝暗号を維持しています。 DNAの梯子の「段」には、最終的に私たちのタンパク質の合成を指示するコードがあります。 この遺伝コードの線形ポリマーは、二本鎖DNAが一本鎖RNAに転写されるときに維持されます。

DNAの基本単位は、ヌクレオチドです。 ヌクレオチドにはリン酸基（オレンジ色で表示）があり、これが最終的にDNAポリマーに電荷を与え、バックボーン上のヌクレオチドを相互接続することになる。 フラノース糖は5糖類で、紫色で表示される。 DNAとRNAの糖フラノース環上の位置の番号付けは、’（素数記号）を使って糖の位置を表す慣例に従っている。 したがって、リボースは1位に窒素塩基、2位、3位、5位に水酸基(OH)が結合していることになる。 この命名法を用いて、デオキシリボースは、リボースの2’位の水酸基を失ったことを示すために、正式には2′-デオキシリボース（2 prime deoxyribose）と呼ばれる。

DNAとRNAのポリマーバックボーンの大きな違いは、ポリマー形成に用いられる糖にある。 DNA（DeoxyriboNucleic Acid）ではフラノースの2′位は水素を持っています。 RNA（リボ核酸）では、フラノースの2′位にOH（ヒドロキシル）があり、糖はフラノースコンフォメーションの単糖リボースである

個々のヌクレオチドの結合は、各フラノース環に1つある2つの水酸基間の橋渡しリン酸分子によって行われます。 その結果、ポリマーは、1つの非常に長い高分子でホスホジエステル結合によってリンクされたフラノース分子の文字列です。

DNA/RNA polymer backboneの構造特性を以下に列記する。

• リン酸-リボース（デオキシリボース）-リン酸塩リボース（デオキシリボース）配列
• ホスホジエステル共有結合で結合
• あるリボース（デオキシリボース）の3′位と隣のリボース（デオキシリボース）の5′位がホスホジエステルで結合している。 4537>
• Chain has 3′ end and 5′ end

Hydrogen Bonding Between Bases

DNA double helix is holding in place with hydrogen bonding of purines to pyrimidines.This case is a rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid rapid level.

プリンとピリミジンの例。 http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

水素結合は弱い相互作用であり、リン酸-フラノース骨格の共有結合のようなものではないことを思い出してください。 このように、DNAは一緒に保持されていますが、RNAへの転写やDNA複製のために引き離すことができます。

DNAの2本の鎖の間の距離を等しく保つために、大きなプリンは小さなピリミジンと結合しなければなりません。 具体的には、AはTと、GはCと常にDNA中で結合する。 AとTは角張った文字、GとCはともに曲がった文字というのが便利な記憶術です。

DNA Transcription

DNA replication: 細胞が分裂するたびに、ゲノムのDNAがすべて複製され（複製といいます）、分裂後の各細胞（娘細胞という）が元の細胞（母細胞という）と同じDNAを持つようになります。

DNAの転写。 遺伝暗号がタンパク質になるためには、転写のステップを経ます。 DNAはRNA（一本鎖の核酸）に転写される。 RNAはその後、DNAからタンパク質合成の領域へシャトルされます。

RNAの翻訳。 RNAは核酸コードからタンパク質のアミノ酸配列に翻訳されます。

このように、DNAの遺伝子コードは、人の体全体と生涯を通じて一貫性を保つために複製することができます。 DNAはまた、RNAの中間体を使ってタンパク質を作るのにも使われます。

脂質

脂質には脂肪とワックスが含まれます。 A、D、E、Kなどいくつかのビタミンは脂溶性である。 おそらく脂質の最も重要な役割は、細胞や小器官の膜を形成することであろう。 このように、脂質は化学プロセスの分離と制御を可能にします。 7728>

細胞膜を形成する脂質分子は、親水性の「頭部」と疎水性の「尾部」で構成されています（「ハイドロ」は水、「フィロス」は愛、「フォビック」は恐怖を意味することを思い出してください）。 リン脂質二重層は、二層のリン脂質分子が、疎水性の尾部が真ん中で合流するように組織化されることで形成される。 細胞内成分と細胞外環境を物理的に分離する膜は、脂質からなる細胞のような球体の形成が、細胞生命の起源に不可欠な前駆体であると科学者は考えている。 このように、脂質膜は他の高分子を包み込み、体積を閉じ込めて反応の可能性を高め、化学的プロセスを保護する。 疎水性領域を持つタンパク質は、脂質二重膜の中で浮いている。 これらの分子は、エネルギー分子や老廃物など、電荷を持つ分子や疎水性分子の細胞内外への輸送を司っている。 これらの脂質の中には、膜から突き出ている炭水化物分子が付着しているものもあるが、これは前述のように細胞の認識に重要である。 炭水化物はすぐに使うことができ、脂質は長期的なエネルギー貯蔵が可能である。 脂質は体内の脂肪細胞（ファットセル）に蓄積される。 人間が食料を調達していた時代から、異化作用の一環として、余分な炭水化物は脂質に変換され、脂肪組織に蓄積されることがあります。 最終的には、摂取した糖質や脂質が多すぎると、肥満につながるのです

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