Anatomi och fysiologi I

Introduktion

Aminosyror är proteinernas byggstenar. Sekvensen av aminosyror i enskilda proteiner är kodad i cellens DNA. De fysiska och kemiska egenskaperna hos de 20 olika naturligt förekommande aminosyrorna dikterar proteinets form och dess interaktion med omgivningen. Vissa korta sekvenser av aminosyror i proteinet dikterar också var proteinet befinner sig i cellen. Proteiner består av hundratals till tusentals aminosyror. Som du kan föreställa dig är proteinveckning en komplicerad process och det finns många möjliga former på grund av det stora antalet kombinationer av aminosyror. Genom att förstå aminosyrornas egenskaper kommer du att få en förståelse för gränserna för proteinveckning och lära dig att förutsäga proteinets potentiella struktur av högre ordning.

Alla aminosyror har samma ryggradstruktur, med en aminogrupp (α-aminogruppen, eller alfa-aminogruppen), en karboxylgrupp, en α-väte och en mängd olika funktionella grupper (R), som alla är knutna till α -kolet.

Den allmänna strukturen för en α-aminosyra. Den sura gruppen är en karboxylsyra. Kolet som är knutet till karboxylsyran är α-kolet. Om R-gruppen var en kolatom skulle det vara β -kolet.

Om alla aminosyror har samma grundstruktur med en aminogrupp, en karboxylgrupp och ett väte som är fäst vid alfakolet, så måste den stora variationen i aminosyrornas egenskaper och struktur komma från den fjärde gruppen som är fäst vid alfakolet. Denna grupp kallas för aminosyrans sidokedja eller R-gruppen.

Strukturerna för de 20 vanligaste aminosyrorna visas i diagrammet nedan. Den enklaste aminosyran, glycin, visas uppe till vänster. Huvudkedjans atomer i glycin är markerade i gult och dess sidokedja (H) är markerad i grönt. Alla aminosyror har samma huvudkedjeatomer, men skiljer sig åt i sidokedjorna. För tydlighetens skull har α-protonen utelämnats i de återstående teckningarna.

Sidokedjegrupperna i dessa aminosyror innehåller många gemensamma grupper av atomer som kallas funktionella grupper. Majoriteten av de funktionella grupperna, såsom hydroxylgruppen (-OH), är vanligen polära, vilket gör att de kan interagera med vatten. Detaljer om de funktionella grupperna finns i det interaktiva diagrammet för funktionella grupper, som kan nås genom att klicka på länken Learn by Doing nedan.

Peptidbindningar

Proteiner är polymerer av aminosyror. Aminosyrorna är sammanfogade genom en kondensationsreaktion. Varje aminosyra i polymeren kallas för en ”rest”. Enskilda aminosyror förenas genom att kvävet i en aminogrupp i en aminosyra fästs vid karbonylkolet (C=O) i karboxylgruppen i en annan aminosyra, för att skapa en kovalent peptidbindning och ge en vattenmolekyl, som visas nedan.

Den resulterande peptidkedjan är linjär med definierade ändar. Korta polymerer (mindre än 50 rester eller aminosyror) brukar kallas peptider och längre polymerer kallas polypeptider. Flera polypeptider kan tillsammans bilda vissa stora proteiner. Eftersom syntesen sker från alfa-aminogruppen hos en aminosyra till karboxylgruppen hos en annan aminosyra, blir resultatet att det alltid kommer att finnas en fri aminogrupp i den växande polymerens ena ände (N-terminen) och en fri karboxylgrupp i den andra änden (C-terminen).

Bemärk att efter att aminosyran har införlivats i proteinet har laddningarna på amino- och karboxylterminerna försvunnit, vilket innebär att huvudkedjeatomerna har blivit polära funktionella grupper. Eftersom varje rest i ett protein har exakt samma huvudkedjeatomer måste proteinets funktionella egenskaper härröra från de olika sidokedjegrupperna.

Enligt konvention skrivs sekvenserna för peptider och proteiner med N-terminus till vänster och C-terminus till höger. Namnet på den N-terminala residen är alltid den första aminosyran. Därefter följer namnet på varje aminosyra. Ett proteins primära sekvens avser dess aminosyrasekvens.

Nukleinsyror

Primärt belägna i cellkärnan (därav namnet) är nukleinsyror replikerande makromolekyler. De viktigaste är DNA och RNA. Utan dem skulle cellerna inte kunna replikera sig, vilket gör livet omöjligt. Dessa molekyler lagrar cellens ”programvara” – de instruktioner som styr dess funktion, processer och struktur. Koden består av sekvenser av fyra baser -adenin, cytosin, guanin och tymin (uracil i RNA). Dessa är ordnade i uppsättningar av tre som kallas tripletter. Varje triplett anger en aminosyra, som i sin tur är en komponent i en proteinmakromolekyl. Hela människokroppens invecklade komplexitet uppstår ur den information som kodas av endast fyra kemikalier i en enda lång DNA-makromolekyl.

I människor orsakar fel i DNA:s och RNA:s strukturer sjukdomar, bland annat sicklecellanemi, blödarsjuka, Huntingtons chorea och vissa typer av cancer. Även ett litet fel kan leda till en dramatisk effekt. Sicklecellanemi orsakas när bara en aminosyra i DNA:s bassekvens ändras. Genom att styra kemiska processer instruerar nukleinsyrorna cellerna om hur de ska differentiera sig till olika organ. Under utvecklingen stängs hela uppsättningar av DNA-sekvenser av eller aktiveras för att driva specifika processer. Dessa processer leder till olika typer av celler som bildar organ som hjärta, lever, hud och hjärna.

I cellen är nukleinsyrorna i sin tur organiserade i strukturer på högre nivå som kallas kromosomer. Du kan se kromosomer med ett ljusmikroskop med hjälp av en lämplig färgning. Tidiga studier av kromosomer hjälpte forskarna att upptäcka och förstå nukleinsyrornas roll i den cellulära reproduktionen. Fel i kromosomernas struktur leder till funktionsstörningar i livsprocesser. Hos människor leder till exempel en extra kromosom 21 till Downs syndrom.

Ryggraden

Vår genetiska kod bestäms av endast fyra baser i DNA (G, C, A, T), som upprepas och är arrangerade i en speciell ordning. Till exempel,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc tggcgctgctgct ggccctctctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctctacc

181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagag ccacgccgggag gcagaggacc

241 tgcaggtggg gcaggtggag ctgggcgggg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgctgct

361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacacccg

421 ccgcctcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Detta kan tyckas vara en slumpmässig rad av G, C, A, T, men detta DNA kodar för mänskligt insulin. DNA är organiserat i en linjär polymer i en dubbelspiral och upprätthåller den nedärvda ordningen av baser eller den genetiska koden. ”Stegen” i DNA-stegen har den kod som i slutändan styr syntesen av våra proteiner. Denna linjära polymer av genetisk kod upprätthålls när dubbelsträngat DNA transkriberas till enkelsträngat RNA.

Den grundläggande enheten i DNA är nukleoiden. Nukleotiden innehåller en fosfatgrupp (visas i orange), som så småningom kommer att ge DNA-polymern sin laddning och sammankoppla nukleotiderna på ryggraden. Furanos-sockergruppen är ett femsidigt socker (visas i lila). Kvävebasen (visas i gult) bestämmer vilken typ av nukleotid som bildas.

Nummereringen av positionerna på sockerfuranosringarna i DNA och RNA följer en konvention där ’ (primsymbolen) används för att beteckna sockerpositionerna. Ribosen har således en kvävebas kopplad till position 1′ och hydroxylgrupper (OH) på positionerna 2′, 3′ och 5′. Med hjälp av denna nomenklatur kallas deoxyribose formellt för 2′-deoxyribose (2 prime deoxyribose) för att beteckna förlusten av hydroxylgruppen i 2’-positionen i ribose.

Den stora skillnaden i polymerryggbenen mellan DNA och RNA är det socker som används vid bildandet av polymeren. I DNA (DeoxyriboNucleic Acid) har furanosens 2′-position ett väte. I RNA (RiboNucleic Acid) har furanosens 2′-position ett OH (hydroxyl) och sockret är monosackariden ribose i furanoskonformationen.

Länkningen av enskilda nukleotider görs av en överbryggande fosfatmolekyl mellan två hydroxylgrupper, en på varje furanosring. Den resulterande polymeren är en kedja av furanosmolekyler som är länkade med fosfodiesterbindningar i en mycket lång makromolekyl.

Nedan följer en lista över strukturella egenskaper hos DNA/RNA-polymerens ryggrad.

• Fosfat-ribose(deoxyribose)-fosfat-ribose(deoxyribose)-sekvens
• Länkad genom fosfodiesterkovalenta bindningar
• 3′-positionen på en ribose(deoxyribose) länkad till 5′-positionen på intilliggande ribose(deoxyribose) genom fosfodiester. bro
• Kedjan har 3′-ändan och 5′-ändan

Hydrogenbindning mellan baser

DNA:s dubbelspiral hålls på plats med hjälp av purinernas vätebindning till pyrimidinerna.

Exempel puriner och pyrimidiner. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Håll dig i minnet att vätebindningar är svaga interaktioner, inte som de kovalenta bindningarna i fosfatfuranosens ryggrad. Därför hålls DNA ihop, men kan dras isär för transkription till RNA eller för DNA-replikation.

För att bibehålla lika långt avstånd mellan de två DNA-strängarna måste de större purinerna binda med de mindre pyrimidinerna. Specifikt binder A alltid med T och G binder alltid med C i DNA. Ett användbart minne är att A och T är vinklade bokstäver och G och C är båda kurviga.

DNA-transkription

DNA-replikation: Varje gång en cell delar sig dupliceras hela arvsmassans DNA (så kallad replikation) så att varje cell efter delningen (så kallad dottercell) har samma DNA som den ursprungliga cellen (så kallad modercell).

DNA transkription: För att den genetiska koden ska bli ett protein genomgår den ett transkriptionssteg. DNA transkriberas till RNA (en enkelsträngad nukleinsyra). RNA:et transporteras sedan bort från DNA:et till området för proteinsyntesen.

RNA-translation: RNA översätts från en nukleinsyrakod till aminosyrasekvensen i ett protein.

Så kan DNA:s genkod dupliceras för att bibehålla konsistens i hela personens kropp och under hela personens liv. DNA används också för att göra proteiner med hjälp av en RNA-intermediär.

Lipider

Lipider innefattar fetter och vaxer. Flera vitaminer, till exempel A, D, E och K, är fettlösliga. Lipidernas kanske viktigaste roll är att bilda cellernas och organellernas membran. På så sätt möjliggör lipiderna isolering och kontroll av kemiska processer. De spelar också en roll vid energilagring och cellsignalering.

Lipidmolekyler som bildar cellmembran består av ett hydrofilt ”huvud” och en hydrofob ”svans” (kom ihåg att ”hydro” betyder vatten och ”philos” betyder kärlek; ”hydro” betyder vatten och ”phobic” betyder rädsla). Ett fosfolipiddubbelskikt bildas när de två lagren av fosfolipidmolekyler organiseras så att de hydrofoba svansarna möts i mitten. Forskarna tror att bildandet av cellliknande klumpar av lipider var en viktig föregångare till celllivets ursprung, eftersom membranen fysiskt separerar intracellulära komponenter från den extracellulära miljön. Lipidmembranen omsluter således andra makromolekyler, begränsar volymer för att öka reaktionsmöjligheterna och skyddar kemiska processer. Proteiner med hydrofoba områden svävar i lipidbilagret. Dessa molekyler styr transporten av laddade eller lipofoba molekyler in och ut ur cellen, t.ex. energimolekyler och avfallsprodukter. Vissa av dessa lipider har också bifogade kolhydratmolekyler som sticker ut ur membranet är viktiga för celligenkänning som tidigare nämnts.

Lipider är också viktiga energilagringsmolekyler. Kolhydrater kan användas direkt och lipider ger en långsiktig energilagring. Lipider ackumuleras i fettceller (fettceller) i kroppen. Som en del av den katabola processen, från den tid då människan var tvungen att leta efter mat, kan överflödiga kolhydrater omvandlas till lipider, som sedan lagras i fettvävnad. I slutändan leder för mycket intagna kolhydrater och lipider till fetma.