Anatomia i fizjologia I

Wprowadzenie

Aminokwasy są budulcem białek. Sekwencja aminokwasów w poszczególnych białkach jest zakodowana w DNA komórki. Fizyczne i chemiczne właściwości 20 różnych naturalnie występujących aminokwasów dyktują kształt białka i jego interakcji z otoczeniem. Pewne krótkie sekwencje aminokwasów w białku dyktują również miejsce, w którym białko przebywa w komórce. Białka składają się z setek do tysięcy aminokwasów. Jak można sobie wyobrazić, składanie białek jest skomplikowanym procesem i istnieje wiele potencjalnych kształtów ze względu na dużą liczbę kombinacji aminokwasów. Poprzez zrozumienie właściwości aminokwasów zyskasz uznanie dla ograniczeń składania białka i nauczysz się przewidywać potencjalną strukturę wyższego rzędu białka.

Wszystkie aminokwasy mają taką samą strukturę szkieletu, z grupą aminową (grupa α-aminowa lub alfa-aminowa), grupą karboksylową, α-wodorem i różnymi grupami funkcyjnymi (R), które są przyłączone do α-węgla.

Ogólna struktura α-aminokwasu. Grupa kwasowa jest kwasem karboksylowym. Węgiel, który jest przyłączony do kwasu karboksylowego to węgiel α. Gdyby grupa R była atomem węgla, byłby to węgiel β.

Jeśli wszystkie aminokwasy mają tę samą podstawową strukturę z aminą, karboksylem i wodorem przymocowanymi do węgla alfa, to duże zróżnicowanie właściwości i struktury aminokwasów musi pochodzić od czwartej grupy przyłączonej do węgla alfa. Grupa ta jest określana jako łańcuch boczny aminokwasu lub grupa R.

Struktury 20 powszechnie występujących aminokwasów są przedstawione na poniższym wykresie. Najprostszy aminokwas, glicyna, jest pokazany w lewym górnym rogu. Atomy łańcucha głównego glicyny są zaznaczone na żółto, a jej łańcuch boczny (H) jest zaznaczony na zielono. Wszystkie aminokwasy mają takie same atomy łańcucha głównego, ale różnią się łańcuchami bocznymi. Dla przejrzystości, na pozostałych rysunkach pominięto α-proton.

Grupy łańcuchów bocznych tych aminokwasów zawierają wiele wspólnych grup atomów zwanych grupami funkcyjnymi. Większość grup funkcyjnych, takich jak grupa hydroksylowa (-OH), jest powszechnie polarna, co pozwala im oddziaływać z wodą. Szczegóły dotyczące grup funkcyjnych można znaleźć w interaktywnym wykresie grup funkcyjnych, do którego można uzyskać dostęp klikając na link Learn by Doing poniżej.

Wiązania peptydowe

Białka są polimerami aminokwasów. Aminokwasy są łączone ze sobą w reakcji kondensacji. Każdy aminokwas w polimerze jest określany jako „pozostałość”. Poszczególne aminokwasy są łączone ze sobą przez przyłączenie azotu grupy aminowej jednego aminokwasu do węgla karbonylowego (C=O) grupy karboksylowej innego aminokwasu, w celu utworzenia kowalencyjnego wiązania peptydowego i otrzymania cząsteczki wody, jak pokazano poniżej.

Powstały łańcuch peptydowy jest liniowy z określonymi końcami. Krótkie polimery (mniej niż 50 reszt lub aminokwasów) są zwykle określane jako peptydy, a dłuższe polimery jako polipeptydy. Kilka polipeptydów razem może tworzyć niektóre duże białka. Ponieważ synteza odbywa się z grupy alfa-aminowej jednego aminokwasu do grupy karboksylowej innego aminokwasu, w rezultacie zawsze będzie wolna grupa aminowa na jednym końcu rosnącego polimeru (N-terminus) i wolna grupa karboksylowa na drugim końcu (C-terminus).

Zauważ, że po aminokwas został włączony do białka, ładunki na aminowych i karboksylowych terminini zniknęły, więc atomy łańcucha głównego stały się polarnymi grupami funkcyjnymi. Ponieważ każda reszta w białku ma dokładnie takie same atomy łańcucha głównego, właściwości funkcjonalne białka muszą wynikać z różnych grup łańcucha bocznego.

Zgodnie z konwencją sekwencje peptydów i białek są zapisywane z N-końcem po lewej stronie i C-końcem po prawej. Nazwa reszty N-końcowej jest zawsze pierwszym aminokwasem. Potem następuje nazwa każdego aminokwasu. Pierwotna sekwencja białka odnosi się do jego sekwencji aminokwasowej.

Kwasy nukleinowe

Pierwotnie zlokalizowane w jądrze komórkowym (stąd nazwa) kwasy nukleinowe są replikującymi się makrocząsteczkami. Najważniejszymi z nich są DNA i RNA. Bez nich komórki nie mogłyby się replikować, co uniemożliwia życie. Cząsteczki te przechowują „oprogramowanie” komórki – instrukcje, które rządzą jej funkcją, procesami i strukturą. Kod składa się z sekwencji czterech zasad – adeniny, cytozyny, guaniny i tyminy (uracylu w RNA). Są one ułożone w zestawy po trzy, zwane trypletami. Każdy triplet określa aminokwas, który z kolei jest składnikiem makrocząsteczki białka. Cała skomplikowana złożoność ludzkiego ciała wynika z informacji zakodowanej przez zaledwie cztery związki chemiczne w jednej długiej makrocząsteczce DNA.

U ludzi błędy w strukturze DNA i RNA powodują choroby, w tym niedokrwistość sierpowatokrwinkową, hemofilię, pląsawicę Huntingdona i niektóre rodzaje raka. Nawet niewielki błąd może spowodować dramatyczny efekt. Choroba sierpowatokrwinkowa jest powodowana przez zmianę tylko jednego aminokwasu w sekwencji zasad DNA. Poprzez kierowanie procesami chemicznymi, kwasy nukleinowe instruują komórki, jak mają się różnicować w różne organy. Podczas rozwoju, całe zestawy sekwencji DNA są wyłączane lub aktywowane, aby napędzać określone procesy. Procesy te prowadzą do powstania różnych rodzajów komórek, które tworzą narządy takie jak serce, wątroba, skóra i mózg.

Wewnątrz komórki kwasy nukleinowe są z kolei zorganizowane w struktury wyższego poziomu zwane chromosomami. Chromosomy można zobaczyć za pomocą mikroskopu świetlnego, używając odpowiedniego barwnika. Wczesne badania chromosomów pomogły naukowcom odkryć i zrozumieć rolę kwasów nukleinowych w reprodukcji komórkowej. Błędy w strukturze chromosomów prowadzą do nieprawidłowego funkcjonowania procesów życiowych. Na przykład u ludzi dodatkowy chromosom 21 powoduje zespół Downa.

Kręgosłup

Nasz kod genetyczny jest określony przez tylko cztery zasady w DNA (G, C, A, T), które powtarzają się i są ułożone w specjalnym porządku. Na przykład,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc tggcgctgctgct ggccctctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctacc

181 tagtgtgcg ggaacgaggc ttcttaca cacccaagac ccgccgggag gcaggacc

241 tgcaggtgg gcaggtggag ctggggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttggg

301 ccctggagg gtccctgcag aagcgtgggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgct

361 ccctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacccg

421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

To może wydawać się przypadkowym ciągiem G, C, A, T, ale to DNA koduje ludzką insulinę. DNA jest zorganizowany w liniowy polimer w podwójnej helisie i zachowuje odziedziczony porządek zasad lub kod genetyczny. Stopnie” drabiny DNA zawierają kod, który ostatecznie kieruje syntezą naszych białek. Ten liniowy polimer kodu genetycznego jest utrzymywany, gdy dwuniciowy DNA jest przepisywany na jednoniciowy RNA.

Podstawową jednostką DNA jest nukleotyd. Nukleotyd zawiera grupę fosforanową (zaznaczoną na pomarańczowo), która ostatecznie nadaje polimerowi DNA ładunek i łączy nukleotydy na szkielecie. Grupa cukrowa furanozy jest cukrem pięciobocznym (przedstawiona na fioletowo). Baza azotowa (przedstawiona na żółto) określa rodzaj tworzonego nukleotydu.

Numeracja pozycji na pierścieniach furanozowych cukrów w DNA i RNA jest zgodna z konwencją, w której do oznaczania pozycji cukrów używa się znaku ’ (symbolu prim). Tak więc ryboza ma zasadę azotową związaną z pozycją 1′ i grupy hydroksylowe (OH) na pozycjach 2′, 3′ i 5′. Używając tej nomenklatury, deoksyryboza jest formalnie nazywana 2′-deoksyrybozą (2 prime deoxyribose), aby oznaczyć utratę hydroksylu w pozycji 2′ rybozy.

Główną różnicą w szkieletach polimerów pomiędzy DNA i RNA jest cukier używany w tworzeniu polimeru. W DNA (DeoxyriboNucleic Acid) w pozycji 2′ furanozy znajduje się wodór. W RNA (RiboNucleic Acid), pozycja 2′ furanozy ma OH (hydroksyl), a cukrem jest monosacharyd ryboza w konformacji furanozy.

Połączenie poszczególnych nukleotydów jest dokonywane przez pomostową cząsteczkę fosforanu pomiędzy dwiema grupami hydroksylowymi, po jednej na każdym pierścieniu furanozy. Powstały polimer jest ciągiem cząsteczek furanozy połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi w jedną bardzo długą makrocząsteczkę.

Poniżej przedstawiono listę cech strukturalnych szkieletu polimeru DNA/RNA.

• Fosforan-rybozy(deoksyryboza)-fosforan-sekwencja rybozy(deoksyrybozy)
• Połączona kowalencyjnymi wiązaniami fosfodiestrowymi
• Pozycja 3′ jednej rybozy(deoksyrybozy) połączona z pozycją 5′ sąsiedniej rybozy(deoksyrybozy) poprzez fosfodiestrowy mostek
• łańcuch ma 3′ koniec i 5′ koniec

Wiązanie wodorowe między zasadami

Podwójna helisa DNA jest utrzymywana w miejscu dzięki wiązaniu wodorowemu puryn z pirymidynami.

Przykładowe puryny i pirymidyny. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Przypomnijmy, że wiązania wodorowe są słabymi oddziaływaniami, a nie jak wiązania kowalencyjne szkieletu fosforanowo-furanozowego. Tak więc, DNA jest trzymany razem, ale może być rozciągnięty na transkrypcję do RNA lub replikacji DNA.

Aby utrzymać równą odległość między dwiema nićmi DNA, większe puryny muszą wiązać się z mniejszymi pirymidynami. W szczególności, A zawsze wiąże się z T i G zawsze wiąże się z C w DNA. Użytecznym narzędziem pamięci jest to, że A i T są kanciastymi literami, a G i C są zakrzywione.

Transkrypcja DNA

Replikacja DNA: Za każdym razem, gdy komórka się dzieli, całe DNA genomu jest powielane (zwane replikacją), tak że każda komórka po podziale (zwana komórką córką) ma takie samo DNA jak komórka pierwotna (zwana komórką matką).

Transkrypcja DNA: Aby kod genetyczny mógł stać się białkiem, przechodzi przez etap transkrypcji. DNA jest przepisywane na RNA (jednoniciowy kwas nukleinowy). RNA jest następnie transportowany z DNA do regionu syntezy białka.

Translacja RNA: RNA ulega translacji z kodu kwasu nukleinowego na sekwencję aminokwasową białka.

W ten sposób kod genów DNA jest w stanie powielać się, aby zachować spójność w całym ciele osoby i przez całe jej życie. DNA jest również używany do tworzenia białek poprzez wykorzystanie pośredniego RNA.

Lipidy

Lipidy obejmują tłuszcze i woski. Kilka witamin, takich jak A, D, E i K, są rozpuszczalne w lipidach. Być może najważniejszą rolą lipidów jest tworzenie błon komórek i organelli. W ten sposób lipidy umożliwiają izolację i kontrolę procesów chemicznych. Odgrywają one również rolę w magazynowaniu energii i cell signaling.

Cząsteczki lipidowe tworzące błony komórkowe składają się z hydrofilowej „głowy” i hydrofobowego „ogona” (pamiętaj, „hydro” oznacza wodę i „philos” oznacza miłość; „hydro” oznacza wodę, „phobic” oznacza strach). Warstwa fosfolipidów jest utworzona, gdy dwie warstwy cząsteczek fosfolipidów organizują się z hydrofobowymi ogonami spotykającymi się w środku. Naukowcy uważają, że powstawanie podobnych do komórek kulek lipidów było istotnym prekursorem powstania życia komórkowego, ponieważ błony fizycznie oddzielają składniki wewnątrzkomórkowe od środowiska zewnątrzkomórkowego. Tak więc błony lipidowe zamykają inne makromolekuły, ograniczają objętość, aby zwiększyć możliwość reakcji, i chronią procesy chemiczne. Białka z obszarami hydrofobowymi unoszą się w obrębie dwuwarstwy lipidowej. Cząsteczki te regulują transport naładowanych lub lipofobowych cząsteczek do i z komórki, takich jak cząsteczki energii i produkty odpadowe. Niektóre z tych lipidów również mają dołączone cząsteczki węglowodanów wystające z błony są ważne dla rozpoznania komórki, jak wspomniano wcześniej.

Lipidy są również istotne cząsteczki przechowywania energii. Węglowodany mogą być używane od razu, a lipidy zapewniają długoterminowe przechowywanie energii. Lipidy gromadzą się w komórkach tłuszczowych (komórki tłuszczowe) w organizmie. W ramach procesu katabolicznego, pochodzącego z czasów, kiedy ludzie musieli zdobywać pożywienie, nadmiar węglowodanów może zostać przekształcony w lipidy, które są następnie magazynowane w tkance tłuszczowej. Ostatecznie, zbyt wiele spożywanych węglowodanów i lipidów prowadzi do otyłości.