Δομή και λειτουργία βιομορίων I ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ Σχολή Επιστημών Ανθρώπινης Κίνησης και Ποιότητας Ζωής Τμήμα Νοσηλευτικής Δομή και λειτουργία βιομορίων I Βιολογία Μάθημα I Ανδρέα Παόλα Ρόχας Χιλ Επίκουρη Καθηγήτρια Βιολογίας-Βιοχημείας

Βιολογία Περιεχόμενο Διαλέξεων 1. Δομή και λειτουργία βιομορίων: αμινοξέα, πεπτίδια, πρωτεΐνες, ένζυμα, νουκλεϊκά οξέα, υδατάνθρακες, λιπίδια, ανώτερα επίπεδα οργάνωσης των μακρομορίων. 2. Το ευκαρυωτικό κύτταρο: δομή και λειτουργία των μεμβρανών, διαπερατότητα των μεμβρανών σε μικρομόρια, ενεργητική μεταφορά, δυναμικό μεμβρανών και μεμβρανική μεταβίβαση μηνυμάτων. 3. Το ευκαρυωτικό κύτταρο: Μεμβρανοειδή οργανίδια, κυτταροπλασματικό σύστημα μεμβρανών, κυτταρική έκκριση και ενδοκυττάρωση, ημιαυτόνομα οργανίδια, κυτταροσκελετός, πυρήνας. 4. Γενετικό υλικό, δομή και οργάνωση του DNA, μοριακή οργάνωση του γονιδιώματος, δομή χρωμοσωμάτων, ροή της γενετικής πληροφορίας, Ρύθμιση της έκφρασης της γενετικής πληροφορίας: ρύθμιση σε επίπεδο μεταγραφής και μετάφρασης, ρύθμιση της ανάπτυξης και διαφοροποίησης, βλαστικά κύτταρα. 5. Κυτταρικές αλληλεπιδράσεις, κυτταρικός κύκλος, κυτταρικός θάνατος και καρκίνος.

6. Εφαρμογές της μοριακής βιολογίας στη διάγνωση και στη θεραπεία: ένζυμα περιορισμού, κλωνοποίηση του DNA, αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών, γονιδιακή θεραπεία, γενετικά αποτυπώματα και ιατροδικαστική. 7. Ισοζύγιο υγρών και ηλεκτρολυτών. 8. Οξέο-βασική ισορροπία και διαταραχές της. 9. Ο ρόλος και η λειτουργία των υδατανθράκων στον οργανισμό, μεταβολισμός υδατανθράκων και διαταραχές του. 10. Ο ρόλος και η λειτουργία των λιπιδίων στον οργανισμό , μεταβολισμός των λιπιδίων και διαταραχές του. 11. Ο ρόλος και η λειτουργία των πρωτεϊνών στον οργανισμό, μεταβολισμός των πρωτεϊνών και διαταραχές τους. Πρωτεΐνες του πλάσματος, ένζυμα. 12. Μεταβολισμός των νουκλεϊκών οξέων και διαταραχές του. Συντονισμός του διάμεσου μεταβολισμού: απορρόφηση, νηστεία και κόπωση. 13. Ρυθμιστικά μόρια: ορμόνες ως εξωκυττάριοι αγγελιοφόροι, ορμονική ρύθμιση, νευροδιαβιβαστές, αυξητικοί παράγοντες, κυτοκίνες

Eργαστήρια: Χρήση μικροσκοπίου: παρατήρηση νωπών παρασκευασμάτων φυτικών και ζωικών κυττάρων. Μικροσκοπική παρατήρηση μόνιμων παρασκευασμάτων ανθρωπίνων ιστών. Παρατήρηση νωπού αίματος με επίστρωση, χρώση και μέτρηση λευκών αιμοσφαιρίων. Καλλιέργεια ευκαρυωτικών κυττάρων, εφαρμογές τους στη διάγνωση και τη θεραπεία. Αρχές ανασυνδυασμένου DNA, κλωνοποίηση, μοριακή διάγνωση. Λήψη βιοχημικών δειγμάτων, δειγματοληπτικά λάθη, μεταφορά δειγμάτων, διαχωρισμός συστατικών του αίματος. Δοκιμασία ανοχής της γλυκόζης, συσχέτιση με ανθρωπομετρικούς δείκτες. Χημική ανάλυση ούρων. Λειτουργία του αυτόματου αναλυτή. Τεχνικές ανάλυσης πρωτεϊνών. Μελέτες Περιπτώσεων.

Αξιολόγηση του μαθήματος Θεωρία: 85% Πρόοδος (επιλογή) 25% Εργασία (επιλογή) 10% Τελική εξέταση 65% Εργαστήριο: 15%

Βιομόρια Τα βιομόρια των κυττάρων διαχωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Τα μικρομόρια και τα μακρομόρια Μικρομόρια: Βρίσκονται συνήθως ελευθέρα στο κυτταρόπλασμα και συμμετέχουν σε διάφορες λειτουργίες του κυττάρου:

Συμμετέχουν ως ενδιάμεσοι μεταβολίτες στη μεταφορά της ενέργειας ή μετασχηματίζονται σε άλλα βιομόρια με συγκεκριμένες λειτουργίες, όπως τα αμινοξέα Συμμετέχουν σε λειτουργίες του κυττάρου (ATP, cAMP, βιταμίνες, ορμόνες κ.λπ). Συνιστούν τους δομικούς λίθους των μακρομορίων,(αμινοξέα, νουκλεοτίδια, σάκχαρα και λιπαρά οξέα).

Μακρομόρια ΒΙΟΠΟΛΥΜΕΡΗ Πρωτεΐνες Νουκλεικά οξέα (DNA, RNA) Πολυσακχαρίτες Λιπίδια Κατά την ένωση μονομερών για το σχηματισμού πολυμερών ελευθερώνεται ένα μόριο νερού για κάθε δεσμό που δημιουργείται (συμπύκνωση) Αντίθετα, κατά την αποικοδόμηση των πολυμερών (υδρόλυση), για κάθε δεσμό που σπάει, ενσωματώνεται ένα μόριο νερού.

Μεταβολισμός είναι η συνεχής δημιουργία και αποικοδόμηση των βιομορίων ΒΙΟΠΟΛΥΜΕΡΗ Πρωτεΐνες Νουκλεικά οξέα (DNA, RNA) Πολυσακχαρίτες Λιπίδια Η υδρόλυση των πολυμερών σε φυσιολογικές συνθήκες γίνεται συνήθως με ειδικά ένζυμα Μεταβολισμός είναι η συνεχής δημιουργία και αποικοδόμηση των βιομορίων

Μακρομόρια Πρωτεΐνες Νουκλείκα (πυρηνικά) οξέα Ομογλυκάνες Δομικός λίθος Λειτουργία (επιλεκτικά) Παράδειγμα Πρωτεΐνες Πολυμερές εξ 20 διαφορετικών αμινοξέων σε καθορισμένη αλληλουχία Δομικές πρωτεΐνες Ενζυμα Μεταφορικές πρωτεΐνες Υποδοχείς Ανοσοσφαιρίνες Κολλαγόνο, μυοσίνη, σωληνίνη Αμυλάσες, πολυμεράσες Μεταφορείς γλυκόζης, αιμοσφαιρίνη Ορμονική υποδοχείς Ανοσοσφαιρίνες Α, G, E, M Νουκλείκα (πυρηνικά) οξέα DNΑ: Πολυμερές εκ 4 δεσοξυριβονουκλεοτιδίων με συγκεκριμένη αλληλουχία RNA Πολυμερές εκ 4 ριβονουκλεοτιδίων με συγκεκριμένη αλληλουχία Αποθήκευση –μεταφορά γενετικής πληροφορίας ( DNA) και έκφραση της πληροφορίας (RNA) Ομογλυκάνες Πολυμερή γλυκόζης Αποθηκευτική ουσία Γλυκογόνο Ετερογλυκάνες Πολυσακχαρίτες από 2 εώς 15 διαφορετικά είδη μονοσακχαριτών συνδεδεμένοι με πρωτεϊνες Τροποποιηση της δομής και λειτουργίας των γλυκοπρωτεϊνών Γλυκοπρωτεϊνες Γλυκοζαμινο-γλυκάνες Επαναλαμβανόμενοι δισακχαρίτες από αμινοσάκχαρα και ουρονικά όξέα Συστατικό του εξοκυτταρικού χωρού Υαλουρονικό οξύ Λιπίδια Εστέρες λιπαρών οξέων με γλυκερίνη η σφιγγοσίνη, που επιπλέον μπορούν να περιέχουν φωσφορικά, αλκοολικές ενώσεις η πολυσακχαρίτες Κατασκευή μεμβρανών, αποθηκευτικές ουσίες Φωσφολιπίδια, σφιγγολιπίδια τριακυλογλυκερόλη Υδατάνθρακες

Αμινοξέα Παίζουν σημαντικό ρόλο ως: δομικοί λίθοι ενδιάμεσα μεταβολικά προϊόντα, μεταφορείς βιολογικώς δραστικών ενώσεων 20 συγκεκριμένα αμινοξέα συμμετέχουν στο σχηματισμό των πρωτεϊνών. Τα μη πρωτεϊνογόνα αμινοξέα, τα οποία είναι περισσότερα, έχουν διάφορους ρόλους στο μεταβολισμό

Αμινοξέα H3N+ - C - H COO- R L-αμινοξή Όλα τα αμίνοξέα έχουν ένα α-άτομο C, το οποίο συνδέεται με μια καρβοξυλική ομάδα, μία αμινοομάδα καθώς και μια ποικίλη πλάγια αλυσίδα (πλευρική όμαδα). Αμινομάδα: Σε φυσιολογικό pH (7,4) είναι πρωτονιωμένη, και έχει τη μορφή κατιόνοντος ΝΗ3+ . Καρβοξυλική ομάδα: Σε φυσιολογικό pH έχει αποβάλει ένα πρωτόνιο, οπότε απαντάται υπό τη μορφή, ως COO- Πλάγια αλυσίδα: Είναι αυτή που προσδίδει στα αμινοξέα τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες τες. α-άτομο C: Είναι το κέντρο ασυμμετρίας (με εξαίρεση την γλυκίνη)

Βάσει των χημικών τους ιδιοτήτων οι πλάγιες αλυσίδες των αμινοξέων διακρίνονται σε: Μη πολικές, αλειφατικές ή αρωματικές πλάγιες αλυσίδες (αμινοξέα Α) Πολικές, μη φορτισμένες πλάγιες αλυσίδες (αμινοξέα Β) Πολικές φορτισμένες πλαγίες αλυσίδες (αμινοξέα Γ) Τα αμινοξέα Α (με εξαίρεση τη γλυκίνη), είναι υδρόφοβα. Τα αμινοξέα Γ (με φορτισμένες πλάγιες αλυσίδες) είναι υδρόφιλα Τα αμινοξέα Β (με μη φορτισμένες, μη πολικές αλυσίδες) βρίσκονται και στις δύο κατηγορίες

Στην δρεπανοκυτταρική αναιμία μία σημειακή μετάλλαξη προκαλεί αλλαγή του 6ου αμινοξέος στην αλυσίδα της β-σφαιρίνης της αιμοσφαιρίνης από γλουταμινικό σε βαλίνη. Το γλουταμινικό φέρει ένα αρνητικό φορτίο στην πλευρική αλυσίδα σε φυσιολογικό pH, έτσι μπορεί να συμμετέχει σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Η βαλίνη είναι ένα υδρόφοβο αμινοξύ επομένως τείνει να αλληλεπιδρά με άλλες υδρόφοβες ενώσεις Η αλλαγή αυτή προκαλεί το πολυμερισμό της ΗβS αιμοσφαιρίνης με συνέπια την απώλεια της ελαστικότητας και σχήματος των ερυθρών αιμοσφαιρίων

Βιολογικοί δεσμοί μεταξύ των αμινοξέων Ηλεκτροστατικές δυνάμες (ιοντικοί δεσμοί) Είναι οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις που δρουν μεταξύ αντίθετα φορτισμένων ομάδων Οι δεσμοί αυτοί είναι ευάλωτοι σε αλλαγές του pH Δεσμοί υδρογόνου Σχηματίζονται ανάμεσα σε ένα ηλεκτρο-αρνητικό άτομο και σε ένα άτομο υδρογόνο Οι πλευρικές ομάδες μερικών αμινοξέων μπορεί να είναι δότες η δέκτες δεσμών υδρογόνου. (πχ η υδροξυλομάδα της σερίνης και την αμινομάδα της γλυταμίνης) Σταθεροποιούν την τριτοταγή δομή της πρωτεϊνης. Δυνάμες van der Waals Αναπτύσσονται όταν δυο άτομα πλησιάσουν πολύ κοντά Είναι δυνάμεις έλξης και οι δεσμοί είναι πάρα πολύ ασθενείς

Υδροφοβικές αλληλεπίδρασης Είναι ασθενείς δεσμοί Δημιουργούνται από την τρισδιάστατη δομή του ύδατος, η οποία προσπαθεί να απωθήσει τις μη πολικές ομάδες Συνέπεια είναι τα μη πολικά μόρια η ομάδες να τείνουν να ομαδοποιούνται στο νερό Δισουλφιδικές γέφυρες Είναι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ καταλοίπων κυστείνης στην πολυπεπτιδική αλυσίδα Είναι η τελευταίοι που δημιουργούνται κατά την ανάπτυξη της τριτοταγούς δομής της πρωτεΐνης και υπεύθυνοι για τη σταθεροποίηση της.

Τροποποίηση των αμινοξέων Η τροποποίηση συμβαίνει μετά από ενσωμάτωση τους στις πρωτεΐνες. Για παραδείγμα: Η προλίνη μπορεί να οξειδωθεί σε υδροξυπρολίνη στο κολλαγόνο Η δραστικότητα πολλών ενζύμων ρυθμίζεται από την φωσφορυλίωση των αμινοξέων σερίνη, Θρεονίνη και τυροσίνη. Η γαλακτόζη, η γλυκόζη, η μαννόζη ή αλλά σάκχαρα και ολιγοσακχαρίτες είναι συνδεδεμένα με την σερίνη, θρεονίνη η ασπαραγίνη στις γλυκοπρωτεϊνες. Η τυροσίνη μετατρέπεται στις θυρεοειδείς ορμόνες σε τριωδοθυρονίνη (Τ3) και θυροξίνη (Τ4) (στην πρωτεΐνη θυρεοσφαιρίνη).

Μη πρωτεϊνογόνα αμινοξέα Έχουν περιγραφεί περισσότερα από 100 μη πρωτεϊνογόνα αμινοξέα τα οποία εξυπηρετούν διάφορες μεταβολικές λειτουργίες: Ορθνιθίνη και κιτρουλλίνη είναι ενδιάμεσα του κύκλου της ουρίας Η διυδροξυφαινυλαλανίνη (dopa) είναι ένα ενδιάμεσο της οδού από τυροσίνη στις κατεχολαμίνες ντοπαμίνη και επίνεφρινη, οι οποίες χρησιμεύουν ως νευροδιαβιβαστές και ορμόνες.

Πρωτεΐνες

Πρωτεΐνες Τα πεπτίδια και οι πρωτεΐνες είναι μόρια που σχηματίζουν αλύσους από 20 αμινοξέα με συγκεκριμένη αλληλουχία. Πεπτίδια: αποτελούνται από 100 η λιγότερα αμινοξέα Πρωτεΐνες: αποτελούνται από 100 αμινοξέα και άνω Τα πεπτίδια και οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μη διακλαδιζόμενες αλυσίδες αμινοξέων, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς H3N+ - C - COO- R1 H R2 Η20 N - C –COO- H R2 H3N+ - C = C - H O Πεπτιδικός δεσμός

Κατηγοριοποίηση πρωτεϊνών Κατά μέγεθος Μετράει το πλήθος των αμινοξέων της πεπτιδικής αλυσίδας Μέχρι 100 αμινοξέα το μόριο χαρακτηρίζεται ως πεπτίδιο Πλέον των 100 αμινοξέων είναι πρωτεΐνη Με λιγότερα από 10 αμινοξέα χαρακτηρίζεται ως ολιγοπεπτίδιο Κατά σύνθεση Απλές πρωτεΐνες και πεπτίδια Σύνθετες πρωτεΐνες, που αποτελούνται από μη πρωτεϊνικά στοιχεία (υδατάνθρακες, λιπαρά οξέα και άλλα μικρομόρια) συνδεδεμένα σε αμινοξέα (παράδειγμα: γλυκοπρωτεϊνες, λιποπρωτεϊνες, νουκλεοπρωτεϊνες) Κατά δομή Σφαιρικές πρωτεΐνες: διακρίνονται για την καλή τους διαλυτότητα, π.χ πολλά ένζυμα, αιμοσφαιρίνη, πρωτεΐνες του πλάσματος. Ινώδεις πρωτεΐνες: συχνά είναι αδιάλυτες στο νερό και τα αραιά αλατούχα διαλύματα, π.χκολλαγόνο, κερατίνη, ελαστήνη. Νηματοιδές

Κατά οικογένεια πρωτεϊνών: Ο διαχωρισμός γίνεται επί τη βάσει κοινών ιδιοτήτων και ομοιοτήτων της αμινοξικής τους αλληλουχίας. Παράδειγμα: Οικογένεια των ανοσοσφαιρινών Κοινή δομή Οικογένεια των εξαρτωμένων από το κυτόχρωμα P450 μονοξυγενασών ΝAD εξαρτώμενες αφυδρογονάσες Κοινή περιοχή Συνθετάσες των λιπαρών οξέων

Κατά λειτουργία πρωτεϊνών: Δομικές: κολλαγόνο, κερατίνη, ελαστίνη, τουμπουλίνη, ιστόνες Λειτουργικές: Μεταφορικές: αιμοσφαιρίνη, μυοσφαιρίνη Αμυντικές: αντισώματα Ρυθμιστικές: ινσουλίνη, γλυκαγόνη Καταλυτικές: ένζυμα (αμυλάση, λιπάση) Αποθηκευτικές: καζεΐνη, φεριτίνη Συσταλτές: ακτίνη, μυοσίνη

Διαμόρφωση των πρωτεϊνών στο χώρο

Διαμόρφωση των πρωτεϊνών στο χώρο Πρωτοταγής δομή: Περιγράφει την αμινοξική αλληλουχία μίας πρωτεϊνης NΗ-C –C - CH2 H3N+ - C - C - H O Η H NΗ - C – Ο C O O- C - NΗ - C –COO- HC-CH3 OH CH3 Gly- Asp- Phe- Ser- Ile H3N+- Gly- Asp- Phe- Ser- Ile- COO-

Δευτεροταγής δομή: Είναι αποτέλεσμα δεσμών υδρογόνου (ΔΗ) μεταξύ των πλευρικών ομάδων Δομικά πρότυπα για την δημιουργία ΔΗ: H α-έλικα: κατά αυτήν η πεπτιδική αλυσίδα έχει μορφή δεξιόστροφης έλικας. Η διάταξη υφίσταται λόγω δεσμών υδρογόνου που γεφυρώνουν το άτομο υδρογόνου της αμινομάδας που συμμετέχει στον πεπτιδικό δεσμό με το άτομο Ο της καρβοξύλομάδας του τέταρτου συμμετέχοντος αμινοξέος Οι ΔΗ που δημιουργούνται είναι ενδομοριακοί (στην ίδια πολυπεπτιδική αλυσίδα) ΠΧ: η α-κερατίνες, οι ινώδες πρωτεΐνες στης τρίχες

Η β-πτυχωτή επιφάνεια: Οι ΔΗ γεφυρώνουν το άτομο της ομάδες ΝΗ- και C=Ο- που σχηματίσουν το πεπτιδικό δεσμό Η πεπτιδική αλυσίδα πτυχώνεται σε μορφή ζιγκ-ζαγκ Οι ΔΗ που δημιουργούνται είναι είτε ενδομοριακοί είτε μεταξύ παρακείμενων πολυπεπτιδικών αλυσίδων η τμημάτων τους Ανακαλύφθηκαν στις ινώδεις πρωτεϊνες του μεταξιού

Βασίζεται σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλαγίων αλυσίδων των αμινοξέων Τριτοταγής δομή: Βασίζεται σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλαγίων αλυσίδων των αμινοξέων Περιγράφει τη δημιουργία της σταθερής χωροδιάταξης μονομερών πρωτεϊνών Προκύπτει από το συνδυασμό α-ελίκων και β-πτυχωτών επιφανειών και άλλων δομικών στοιχείων. Η δομή των πρωτεϊνών διακρίνεται σε τμήματα, τα οποία ονομάζονται δομικές περιοχές και έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες. Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλάγιων αλυσίδων που ευθύνονται για τη τριτοταγή δομή: Δεσμοί υδρογόνου Υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις Ηλεκτροστατικοί δεσμοί Δισουλφιδικοί δεσμοί

Περιγράφει τη σύσταση της πρωτεΐνες από υπομονάδες Τεταρτοταγή δομή: Περιγράφει τη σύσταση της πρωτεΐνες από υπομονάδες Πολλές πρωτεϊνικές αλυσίδες με τη δική τους πρωτοταγή, δευτεροταγή και τριτοταγή δομή δημιουργούν υπομονάδες, και σχηματίζουν μία λειτουργική μονάδα. Οι υπομονάδες συνδέονται με μη ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ περιοχών τους και σχηματίζουν μία πλήρη πρωτεΐνη. Διμερείς: κρεατινίκή κινάση Τετραμερείς: αιμοσφαιρίνη Πολυμερείς: Η πρωτεΐνη του περιβλήματος του ιού της μωσαϊκής του καπνού έχει 2130 υπομονάδες

Εξωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την δομή των πρωτεϊνών Θερμοκρασία Πάνω από 50οC οι πρωτεΐνες αποδιατάσονται, μετουσιώνονται Η αποδιάταξη πραγματοποιείται σε διαφορετικά επίπεδα: Αποδιατάσεται η τεταρτοταγή δομή, οι υπομονάδες απομακρύνονται ή η στερεοδιάταξη καταστρέφεται Αποδιατάσεται η τριτοταγή δομή και καταστρέφονται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλάγιων αλυσίδων Αποδιατάσεται η δευτεροταγή δομή επειδή καταστρέφονται οι δεσμοί υδρογόνου Η πρωτοταγής δομή δεν καταστρέφεται επειδή οι πεπτιδικοί δεσμοί δεν επηρεάζονται από την αποδιάταξη

pH: To pH επηρεάζει την ιονική κατάσταση των αμινοξέων και την δυνατότητα τους να αλληλεπιδρούν τόσο μεταξύ τους όσο και με άλλα χημικά μόρια. Chaperons: (μοριακοί συνοδοί) Βοηθούν τις αρτιγενείς πρωτεΐνες να συγκροτηθούν σωστά Δεσμεύονται στο συντιθέμενο άκρο, σταθεροποιούν την πολυπεπτιδική αλυσίδα Προκαλούν αλλαγή της διαμόρφωσης της στο χώρο μέχρι να φτάσουν στον τόπο προορισμού τους. Παρεμποδίζουν κάθε τυχαία, ανεπιθύμητη και μη αντιστρεπτή δέσμευση της πρωτεΐνης με άλλο μόριο.