Anatomie și fiziologie I

Introducere

Aminoacizii sunt elementele constitutive ale proteinelor. Secvența de aminoacizi din proteinele individuale este codificată în ADN-ul celulei. Proprietățile fizice și chimice ale celor 20 de aminoacizi diferiți care apar în mod natural dictează forma proteinei și interacțiunile acesteia cu mediul său. Anumite secvențe scurte de aminoacizi din proteină dictează, de asemenea, locul în care proteina locuiește în celulă. Proteinele sunt compuse din sute sau mii de aminoacizi. După cum vă puteți imagina, plierea proteinelor este un proces complicat și există multe forme potențiale din cauza numărului mare de combinații de aminoacizi. Prin înțelegerea proprietăților aminoacizilor veți obține o apreciere a limitelor replierii proteinelor și veți învăța cum să preziceți structura potențială de ordin superior a proteinei.

Toți aminoacizii au aceeași structură a coloanei vertebrale, cu o grupare amino (grupa α-amino, sau alfa-amino), o grupare carboxil, un α-hidrogen și o varietate de grupe funcționale (R), toate atașate la α -carbon.

Structura generală a unui α-aminoacid. Grupa acidă este un acid carboxilic. Carbonul care este atașat la acidul carboxilic este carbonul α. Dacă grupul R ar fi un atom de carbon, acesta ar fi β -carbonul.

Dacă toți aminoacizii au aceeași structură de bază cu un amino, un carboxil și un hidrogen fixat pe carbonul alfa, atunci variația mare în proprietățile și structura aminoacizilor trebuie să provină de la a patra grupare atașată la carbonul alfa. Acest grup este denumit lanțul lateral al aminoacidului sau grupul R.

Structurile celor 20 de aminoacizi comuni sunt prezentate în tabelul de mai jos. Cel mai simplu aminoacid, glicina, este prezentat în stânga sus. Atomii lanțului principal al glicinei sunt evidențiați în galben, iar lanțul său lateral (H) este evidențiat în verde. Toți aminoacizii au aceiași atomi din lanțul principal, dar diferă la nivelul lanțurilor laterale. Pentru claritate, protonul α este omis în restul desenelor.

Grupurile de lanțuri laterale ale acestor aminoacizi conțin multe grupuri comune de atomi numite grupuri funcționale. Majoritatea grupărilor funcționale, cum ar fi gruparea hidroxil (-OH), sunt în mod obișnuit polare, ceea ce le permite să interacționeze cu apa. Detalii despre grupele funcționale pot fi găsite în tabelul interactiv cu grupe funcționale, care poate fi accesat făcând clic pe link-ul Learn by Doing de mai jos.

Legături de peptide

Proteinele sunt polimeri de aminoacizi. Aminoacizii sunt uniți între ei printr-o reacție de condensare. Fiecare aminoacid din polimer este denumit „reziduu”. Aminoacizii individuali sunt uniți între ei prin atașarea azotului unei grupări amino a unui aminoacid la carbonul carbonil (C=O) al grupării carboxil a unui alt aminoacid, pentru a crea o legătură peptidică covalentă și a produce o moleculă de apă, așa cum se arată mai jos.

Clanțul peptidic rezultat este liniar, cu capetele definite. Polimerii scurți (mai puțin de 50 de reziduuri sau aminoacizi) sunt de obicei denumiți peptide, iar polimerii mai lungi, polipeptide. Mai multe polipeptide împreună pot forma unele proteine mari. Deoarece sinteza are loc de la gruparea alfa-amino a unui aminoacid la gruparea carboxil a unui alt aminoacid, rezultatul este că va exista întotdeauna o grupare amino liberă la un capăt al polimerului în creștere (extremitatea N-terminală) și o grupare carboxil liberă la celălalt capăt (extremitatea C-terminală).

Rețineți că, după ce aminoacidul a fost încorporat în proteină, sarcinile de pe extremitățile amino și carboxil au dispărut, astfel încât atomii lanțului principal au devenit grupe funcționale polare. Deoarece fiecare reziduu dintr-o proteină are exact aceiași atomi din lanțul principal, proprietățile funcționale ale unei proteine trebuie să provină din diferitele grupări din lanțul lateral.

Prin convenție, secvențele peptidelor și proteinelor se scriu cu extremitatea N-terminală în stânga și cu extremitatea C-terminală în dreapta. Numele reziduului N-terminal este întotdeauna primul aminoacid. Urmează apoi numele fiecărui aminoacid. Secvența primară a unei proteine se referă la secvența sa de aminoacizi.

Acizi nucleici

Primordialmente localizați în nucleul celulei (de unde și numele), acizii nucleici sunt macromolecule care se replică. Cei mai importanți sunt ADN și ARN. Fără ei, celulele nu s-ar putea replica, făcând viața imposibilă. Aceste molecule stochează „software-ul” celulei – instrucțiunile care îi guvernează funcția, procesele și structura. Codul este alcătuit din secvențe de patru baze -adenină, citosină, guanină și timină (uracil în ARN). Acestea sunt aranjate în seturi de trei, numite triplete. Fiecare triplet specifică un aminoacid, care, la rândul său, este o componentă a unei macromolecule proteice. Toată complexitatea complexă a corpului uman provine din informația codificată de doar patru substanțe chimice dintr-o singură macromoleculă lungă de ADN.

La oameni, greșelile în structurile ADN și ARN provoacă boli, inclusiv anemia seceră, hemofilia, coreea lui Huntingdon și unele tipuri de cancer. Chiar și o eroare mică poate duce la un efect dramatic. Anemia celulelor secerătoare este cauzată atunci când doar un singur aminoacid din secvența de baze ADN este modificat. Prin dirijarea proceselor chimice, acizii nucleici instruiesc celulele cum să se diferențieze în diferite organe. În timpul dezvoltării, seturi întregi de secvențe de ADN sunt oprite sau activate pentru a conduce procese specifice. Aceste procese conduc la diferite tipuri de celule care formează organe precum inima, ficatul, pielea și creierul.

În cadrul celulei, acizii nucleici sunt la rândul lor organizați în structuri de nivel superior numite cromozomi. Puteți vedea cromozomii cu un microscop optic, folosind un colorant adecvat. Studiul timpuriu al cromozomilor i-a ajutat pe oamenii de știință să descopere și să înțeleagă rolul acizilor nucleici în reproducerea celulară. Erori în structura cromozomială duc la disfuncționalități ale proceselor vitale. De exemplu, la om, un cromozom 21 în plus determină Sindromul Down.

Spatele

Codul nostru genetic este determinat de doar patru baze din ADN (G, C, A, T), care se repetă și sunt aranjate într-o ordine specială. De exemplu,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc ctgcccctgc tggcgctgctgct ggccctctgg ggacctgacc

.

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctctacc

181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagac ccgccgggag gcagaggacc

241 tgcaggtggg gcaggtggag ctgggcgggggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctgcag gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgct

361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacacccg

421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Aceasta poate părea o înșiruire aleatorie de G, C, A, T, dar acest ADN codifică insulina umană. ADN-ul este organizat într-un polimer liniar într-un dublu helix și păstrează ordinea moștenită a bazelor sau codul genetic. „Treptele” scării ADN au codul care, în cele din urmă, dirijează sinteza proteinelor noastre. Acest polimer liniar al codului genetic este menținut atunci când ADN-ul bicatenar este transcris în ARN monocatenar.

Unitatea fundamentală a ADN-ului este nucleotida. Nucleotida conține o grupare fosfat (reprezentată în portocaliu), care în cele din urmă va conferi polimerului ADN sarcina sa și va interconecta nucleotidele pe coloana vertebrală. Grupul de zahăr furanoză este un zahăr cu cinci fețe (ilustrat în violet). Baza azotată (reprezentată în galben) determină tipul de nucleotidă formată.

Numerotarea pozițiilor pe inelele de zahăr furanoză din ADN și ARN urmează o convenție care folosește ‘ (simbolul prim) pentru a indica pozițiile zahărului. Astfel, riboza are o bază azotată conectată la poziția 1′ și grupe hidroxil (OH) pe pozițiile 2′, 3′ și 5′. Folosind această nomenclatură, deoxiriboza este denumită formal 2′-deoxiriboză (2 prime deoxiriboză) pentru a denota pierderea hidroxilului în poziția 2’ a ribozei.

Diferența majoră a coloanelor vertebrale polimerice dintre ADN și ARN este reprezentată de zahărul utilizat în formarea polimerului. În ADN (acid dezoxiriboNucleic) poziția 2′ a furanozei are un hidrogen. În ARN (acidul ribo-nucleic), poziția 2′ a furanozei are un OH (hidroxil), iar zahărul este monosacaridul riboză în conformația furanoză.

Legătura nucleotidelor individuale se realizează printr-o moleculă de fosfat de legătură între două grupări hidroxil, câte una pe fiecare inel de furanoză. Polimerul rezultat este un șir de molecule de furanoză legate prin legături fosfodiester într-o singură macromoleculă foarte lungă.

Cele de mai jos reprezintă o listă a caracteristicilor structurale ale arboretului polimeric al ADN/ARN.

• Fosfat-riboză(dezoxiriboză)-fosfat-.secvență de riboză(dezoxiriboză)
• Legate prin legături covalente de fosfodiester
• poziția 3′ pe o riboză(dezoxiriboză) legată de poziția 5′ a ribozei(dezoxiribozei) adiacente prin intermediul fosfodiesterului punte
• Cașina are capătul 3′ și capătul 5′

Legătura de hidrogen între baze

Dupla spirală a ADN-ului este menținută în poziție cu ajutorul legăturii de hidrogen dintre purine și pirimidine.

Exemple de purine și pirimidine. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Reamintim că legăturile de hidrogen sunt interacțiuni slabe, nu ca legăturile covalente din coloana vertebrală fosfat-furanoză. Astfel, ADN-ul este ținut împreună, dar poate fi despărțit pentru transcrierea în ARN sau pentru replicarea ADN-ului.

Pentru a menține distanța egală între cele două șiruri de ADN, purinele mai mari trebuie să se lege cu pirimidinele mai mici. Mai exact, A se leagă întotdeauna cu T și G se leagă întotdeauna cu C în ADN. Un dispozitiv de memorare util este acela că A și T sunt litere unghiulare, iar G și C sunt ambele curbe.

Transcripția ADN-ului

Replicarea ADN-ului: De fiecare dată când o celulă se divide, tot ADN-ul genomului este duplicat (se numește replicare), astfel încât fiecare celulă de după diviziune (numită celulă fiică) să aibă același ADN ca celula inițială (numită celulă mamă).

Transcrierea ADN: Pentru ca codul genetic să devină o proteină, acesta trece printr-o etapă de transcriere. ADN-ul este transcris în ARN (un acid nucleic monocatenar). ARN-ul este apoi transferat de la ADN la regiunea de sinteză a proteinelor.

Traducerea ARN-ului: ARN-ul este tradus dintr-un cod de acid nucleic în secvența de aminoacizi a unei proteine.

Așa, codul genetic al ADN-ului este capabil să se dubleze pentru a menține consistența în tot corpul persoanei și pe tot parcursul vieții acesteia. ADN-ul este, de asemenea, utilizat pentru a produce proteine prin utilizarea unui intermediar ARN.

Lipidele

Lipidele includ grăsimile și cerurile. Mai multe vitamine, cum ar fi A, D, E și K, sunt solubile în lipide. Poate că cel mai important rol al lipidelor este acela de a forma membranele celulelor și organitelor. În acest fel, lipidele permit izolarea și controlul proceselor chimice. Ele joacă, de asemenea, un rol în stocarea energiei și în semnalizarea celulară.

Moleculele lipidice care formează membranele celulare sunt alcătuite dintr-un „cap” hidrofil și o „coadă” hidrofobă (amintiți-vă, „hydro” înseamnă apă și „philos” înseamnă dragoste; „hydro” înseamnă apă, „phobic” înseamnă frică). Un bistrat fosfolipidic se formează atunci când cele două straturi de molecule de fosfolipide se organizează, cozile hidrofobe întâlnindu-se la mijloc. Oamenii de știință cred că formarea globulelor de lipide asemănătoare celulelor a fost un precursor vital pentru originea vieții celulare, deoarece membranele separă fizic componentele intracelulare de mediul extracelular. Astfel, membranele lipidice înglobează alte macromolecule, limitează volumele pentru a crește posibilitatea de reacție și protejează procesele chimice. Proteinele cu regiuni hidrofobe plutesc în bistratul lipidic. Aceste molecule guvernează transportul moleculelor încărcate sau lipofobe în interiorul și în afara celulei, cum ar fi moleculele de energie și produsele reziduale. Unele dintre aceste lipide au atașate și molecule de carbohidrați care ies din membrană sunt importante pentru recunoașterea celulară, așa cum s-a menționat anterior.

Lipidele sunt, de asemenea, molecule vitale de stocare a energiei. Carbohidrații pot fi utilizați imediat, iar lipidele asigură stocarea energiei pe termen lung. Lipidele se acumulează în celulele adipoase (celule grase) din organism. Ca parte a procesului catabolic, de pe vremea când oamenii trebuiau să caute hrană, excesul de carbohidrați poate fi transformat în lipide, care sunt apoi stocate în țesutul adipos. În cele din urmă, prea mulți carbohidrați și lipide ingerate duc la obezitate.

.