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

Αρχές λειτουργικότητας των πρωτεϊνών Στις πρωτεΐνες δεσμεύονται διάφορα μικρομόρια Οφείλεται σε ασθενείς μη ομοιοπολικούς δεσμούς οι οποίοι αναπτύσσονται μεταξύ του μικρομορίου και μίας συγκεκριμένης περιοχής της επιφανείας της πρωτεΐνης (θέση δέσμευσης ή ενεργό κέντρο) Μία πρωτεΐνη μπορεί να έχει περισσότερες θέσεις δέσμευσης για διαφορετικά μόρια Η δέσμευση μπορεί να είναι ισχυρή ή ασθενής Η δέσμευση είναι ειδική Παραδείγματα: ένζυμα, αντισώματα, υποδοχείς ορμονών, πρωτεΐνες μεταφορείς όπως η αιμοσφαιρίνη, μεταγραφικοί παράγοντες

Αλλοστερισμός: Η ικανότητα των πρωτεϊνών να ρυθμίσουν την λειτουργικότητα τους Η ένωση των πρωτεϊνών με μικρομόρια μπορεί να επηρεάζει την δομή και την λειτουργικότητα τους. Οι πρωτεΐνες με αυτό το χαρακτηριστικό λέγονται αλλοστερικές. Η δέσμευση μορίων μπορεί να επηρεάζει θετικά η αρνητικά την λειτουργικότητα μίας πρωτεΐνης Συνεργατική αλληλεπίδραση η συναγωνιστική αναστολή

Ρύθμιση της λειτουργικότητα της πρωτεΐνης με την προσθήκη χημικών ομάδων Φωσφορυλίωση (μεταγωγή σήματος) Ακιλίωση (κυτταρική τοποθεσία) Μεθυλίωση (ρύθμιση της μεταγραφής) Υδροξυλίωση (προλίνη στο κολλαγόνο) Γλυκοσυλίωση (δομικές πρωτεΐνες, υποδοχείς) Σουλφονυλίωση (συνδετικά μόρια) Πρενιλύωση (μεταφορά ουσιών στο κύτταρο) Ουβικιτινυλίωση (αποδόμηση πρωτεϊνών) Σουμολίωση (σταθεροποίηση πρωτεϊνών και κυτταρική τοποθεσία)

Ένζυμα Είναι ενεργά βιομόρια (πρωτεΐνες), υπεύθυνα για το μεταβολισμό του κυττάρου. Δεσμεύουν ένα η περισσότερα βιομόρια (υπόστρωμα) και τα μετατρέπουν σε άλλα βιομόρια (προϊόντα) Επιταχύνουν μία αντίδραση χωρίς να υφίσταται καμία αλλαγή. Δεν επηρεάζουν την ισορροπία μίας χημικής αντίδρασης, αλλά επιταχύνουν την επίτευξη της ισορροπίας αυτής. Διαθέτουν ειδικότητα υποστρώματος (είτε υψηλή είτε χαμηλή) Τα ένζυμα σχηματίζουν με το υπόστρωμα προσωρινούς ομοιοπολικούς δεσμούς, από τους οποίους ελευθερώνονται αμετάβλητα μετά το πέρας της αντίδρασης Ε+S ES E+P

Η ενζυμικές αντιδράσεις έχουν χαρακτηριστική κινητική: Όσο αυξάνει η συγκέντρωση του υποστρώματος, τόσο αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Όταν όλα τα μόρια του ένζυμου δεσμεύσουν το υπόστρωμα, παρατηρείται η μέγιστη ταχύτητα (Vmax). Από αυτό το σημείο η ταχύτητα της αντίδρασης παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από τη συγκέντρωση του υποστρώματος

Ταξινόμηση των ενζύμων σε κύριες ομάδες Η ονοματολογία των ενζύμων προέρχεται από την αντίδραση που καταλύουν ή το υπόστρωμα Οξείδάση, αφυδρογονάση, αποκαρβοξυλάση Αμυλάση, γλυκοσιδάση, λιπάση, πρωτεάση Ταξινόμηση των ενζύμων σε κύριες ομάδες ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΑΣΕΣ Δρουν σε ομάδες CH-OH που λειτουργούν ως δότες. ΤΡΑΝΣΦΕΡΑΣΕΣ Μεταφέρουν ομάδες ενός ατόμου άνθρακα. ΥΔΡΟΛΑΣΕΣ Υδρολυτική απόσπαση ομάδων ΑΝΑΣΕΣ Μη υδρολυτική απόσπαση ομάδων ΙΣΟΜΕΡΑΣΕΣ Μετατροπές ισομερών ενώσεων ΛΙΓΑΣΕΣ Ενεργό-εξαρτώμενος σχηματισμός δεσμών

Πολλά ένζυμα απαιτούν συνένζυμα (μη πρωτεϊνικά μόρια) Το πλήρες λειτουργικό ένζυμο μαζί με τη μικρομοριακή ομάδα καλείται ολοένζυμο Η ενζυμική πρωτεΐνη χωρίς το μικρομόριο καλείται αποένζυμο Το μικρομόριο καλείται συνένζυμο, ενώ όταν είναι συνδεδεμένο ομοιοπολικά με το ένζυμο λέγεται προσθετική ομάδα Τα συνένζυμα μπορεί να προέρχονται από βιταμίνες, από νουκλεοτίδια πουρίνης η πυριμιδίνης. Οι λειτουργίες των συνενζύμων είναι πολύπλευρες: Μεταφορά υδρογόνου σε οξειδοανάγωγα συστήματα Αποκαρβοξυλίωση και καρβοξυλίωση Μεταφορά αμινομάδων (τρανσαμίναση) Μεταφορά ατόμων άνθρακα Μεταφορά ακυλ-και αλκυλ ομάδων Ενεργοποίηση σακχαριτών

Δομή και λειτουργία επιλεγμένων πεπτιδίων

Δομή και λειτουργία επιλεγμένων πρωτεϊνών

Νουκλεϊκά οξέα Είναι υπεύθυνα για την αποθήκευση, μεταφορά και αποκωδικοποίηση των γενετικών πληροφοριών. Είναι το δεοξυριβονουκλεικό οξύ (DNA) που φέρει τα γονίδια και το ριβονουκλεικό οξύ (RNA) που τα μεταφράζει σε πρωτεΐνες (εξαίρεση στους ιούς). Το μέγεθος του RNA κυμαίνεται μεταξύ 80-200.000 νουκλεοτίδια, ενώ του DNA φτάνει τα εκατομμύρια νουκλεοτίδια

Δομικά στοιχειά νουκλεοτιδίων

Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από μία αζωτούχο βάση, μία πεντόζη και μία φωσφορική ρίζα, που συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς. Ένα νουκλεοτίδιο DNA αποτελείται από δεοξυριβόζη, φωσφορικό οξύ και μια αζωτούχο βάση (αδενίνη Α, γουανίνη G, θυμίνη T ή κυτοσίνη C) ΒΑΣΗ + ΣΑΚΧΑΡΟ = ΝΟΥΚΛΕΟΣΙΔΙΟ ΣΥΝΔΕΣΗ ΝΟΥΚΛΕΟΣΙΔΙΟΥ με ΦΩΣΦΟΡΙΚΟ = ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΟ

Τα νουκλεοτίδια μεταξύ τους συνδέονται με 3`, 5` φωσφοδιεστερικό δεσμό. Η φωσφορική ρίζα ενός νουκλεοτιδίου αντιδρά με την 3`-ΟH ενός άλλου νουκλεοτιδίου. Η φωσφορική ρίζα εστεροποιείται με τις δυο υδροξυλομάδες από τις οποίες η μία βρίσκεται στον 3`άνθρακα και η άλλη στον 5` άνθρακα. Ταυτόχρονα αφαιρετέ ένα μόριο νερού.

Η διπλή έλικα Chargaff Το ποσό της αδενίνης είναι ίσο με το ποσό της θυμίνης A=Τ. Ομοίως η γουανίνη είναι πάντα ίση με την κυτοσίνη G=C Wilkins και Franklin Μελέτησαν με ακτίνες Χ όπου βρήκαν ότι τα ινίδια του DNA αποτελούνται από ελικοειδή μόρια καλά διαταγμένα στο χώρο Watson και Crick Μοντέλο της διπλής έλικας

Οργάνωση του ευκαρυωτικού DNA

RNA

RNA

Είδη RNA snRNA = Μικρό πυρηνικό RNA primer RNA= προταρχικό RNA/έναρξη της αντιγραφής

Σύγκριση DNA-RNA Το DNA είναι κυρίως δίκλωνο σε αντίθεση με το RNA, που είναι κυρίως μονόκλωνο (Εξαίρεση αποτελεί το γονιδίωμα ορισμένων ιών). Στερεοδιάταξη: DNA: Πρωτοταγής, δευτεροταγής (διπλή έλικα) RNA: Πρωτοταγής, δευτεροταγή ( το μονόκλωνο μόριο μπορεί να έχει δίκλωνες περιοχές, τριτοταγή (με την ανάπτυξη δευτερογενών δεσμών πχ. tRNA) Δομικές διαφορές: Δεοξυριβόζη-Ριβόζη Θυμίνη- Ουρακίλη tRNA

Υδατάνθρακες

Υδατάνθρακες Cn(H20)n Ορισμένα περιέχουν επίσης άζωτο (Ν), φώσφορο (P) ή θείο (S) Κατηγορίες Α) Απλοί υδατάνθρακες (μονοσακχαρίτες) Β) Διασπώμενα σάκχαρα (δισακχαρίτες, ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες)

Μονοσακχαρίτες Είναι αλδεύδες η κέτονες με πολλαπλές υδροξυλικές ομάδες Ανάλογα με τον αριθμό ατόμων C που διαθέτουν, καλούνται τριόζες (γλυκεριναλδεύδη), πεντόζες (ριβόζη, δεοξυριβόζη), εξόζες (γλυκόζη, φρουκτόζη) κ.ο.κ

Στα υδατικά τους διαλύματα τα σακχάρα έχουν κυκλική μορφή Η μονοσακχαρίτες εμφανίζουν αναγωγική δράση

Γλυκοζιτικός δεσμός Μεταξύ δύο σακχάρων είναι δυνατό να αποσπαστεί ένα μόριο νερού από 2 υδροξύλια διαφορετικών μορίων Ο-γλυκοζιτικός δεσμό σχηματίζεται όταν η ημιακεταλική υδροξυλομάδα ενός σακχάρο αντιδρά με μία υδροξυλομάδα (αλκοόλη) του άλλου σακχάρου Οι γλυκοζιτικοί δεσμοί εύκολα υφίστανται αλκαλική υδρόλυση. Οι δισακχαρίτες μπορούν να υδρολυθούν με βρασμό σε αραιό οξύ, η με ένζυμα (γλυκοζιτάσες), αποδίδοντας δυο μονοσακχαρίτες Ημιακέταλη Αλκοόλη Συμπύκνωση + Η2Ο

Οι δισακχαρίτες Σακχαρόζη: Λακτόζη Είναι το σάκχαρο των φρούτων (κοινή σάκχαρη) Είναι δισακχαρίτης γλυκόζης και φρουκτόζης Το ημιακεταλικό υδροξύλιο του C1 άτομο αντιδρά με το ημιακεταλικό υδροξύλιο του C2 ατόμου της κετόζης φρουκτόζης Δεν περιέχει ημιακεταλική ομάδα, δεν έχει αναγωγικές ιδιότητες, δεν μπορεί να σχηματίσει γλυκοζίτη Λακτόζη Είναι ο κύριος υδατάνθρακας του γάλακτος Χαρακτηρίζεται από σύνδεση γαλακτόζης στο C1 άτομο μέσο β-γλυκοζιτικού δεσμού με το C4 άτομο της γλυκόζης

Ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες Αποτελούνται από περισσότερους μονοσακχαρίτες ενωμένους με γλυκοζιτικούς δεσμούς 3-9 μονοσακχαρίτες είναι ολιγοσακχαρίτες Άνω των 9 πολυσακχαρίτες Ομογλυκάνες είναι πολυμερή ενός είδος μονοσακχαρίτη Άμυλο και γλυκογόνο Αποτελούνται από μονομερή γλυκόζης ενωμένα με α-γλυκοζιτικούς δεσμούς (1`-4` και 1`-6`) Το άμυλο είναι το σημαντικότερο απόθεμα υδατανθράκων των φυτών

Το γλυκογόνο συνιστά το πρόσκαιρο απόθεμα υδατανθράκων για τα ζωικά κύτταρα Σχηματίζουν μεγάλα διακλαδισμένα μακρομόρια με μοριακά βάρη εκατομμυρίων μονομερών γλυκόζης.

Ετερογλυκάνες: Αποτελούνται από διάφορους μονοσακχαρίτες και επίσης συνδέονται με πρωτεΐνες, πεπτίδια και λιπίδια Γλυκοπρωτεϊνες: Περιέχουν ετερογλυκάνες 5-10 μονοσακχαριτών Αποτελούνται από μαννόζη, γαλακτόζη, ακετυλιωμένα αμινοσάκχαρα και Ν-ακετυλονευραμινικό οξύ και σχηματίζουν διακλαδιζόμενες δομές Οι δομικές μεμβρανικές πρωτεΐνες και σχεδόν όλες οι εξωκυτταρικές διαλυτές πρωτεΐνες είναι γλυκοπρωτεϊνες Τα σάκχαρα ενώνονται με την πρωτεΐνη με γλυκοζιτικούς δεσμούς στις πλάγιες αλυσίδες σερίνης ή ασπαραγίνης.

Πρωτεογλυκάνες: Αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες δισακχαριτών που συνδέονται σε πρωτεϊνικό σκελετό. Ο ένας μονοσακχαρίτης του επαναλαμβανομένου δισακχαρίτη είναι αμινοσάκχαρο, ο άλλος ουρονικό οξύ Λέγονται και γλυκοζαμινογλυκάνες Είναι σημαντικά συστατικά της εξωκυτταρικής θεμέλιας ουσίας (μαζί με το κολλαγόνο και η ελαστίνη)

Πεπτιδογλυκάνες Λαμβάνουν μέρος στην κατασκευή του βακτηριακού τοιχώματος Αποτελούνται από πεπτίδια 4-5 αμινοξέων (μη υδατανθρακικό τμήμα) κι επαναλαμβανόμενο δισακχαρίτη από Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη και Ν-ακετυλομουραμικό οξύ (υδατανθρακικό τμήμα) (η μουρείνη σχηματίζει το βακτηριακό τοίχωμα και η πενικιλίνη αναστέλλει τη σύνθεσή της.)

Δομή και φυσικές ιδιότητες των λιπιδίων Μία σειρά μορίων με κύριο χαρακτηριστικό την καλή διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες και σχετικά κακή διαλυτότητα σε υδατικούς διαλύτες Τα λιπίδια χωρίς εστερικούς δεσμούς είναι είτε λιπαρά οξέα και τα παράγωγά τους,είτε παράγωγα ισοπρενίου.

Τα λιπίδια που περιέχουν εστερικούς δεσμούς, κατηγοριοποιούνται περαιτέρω αναλόγως της περιεκτικότητας τους σε αλκοόλες

Λιπαρά οξέα Στον ανθρώπινο οργανισμό βρίσκονται σε ελεύθερη μορφή ή και ως δομικά στοιχεία ακυλογλυκερολών, φωσφολιπιδιών και σφιγγολιπιδίων. Τα λιπαρά οξέα περιέχουν Έναν συνήθως ακέραιο αριθμό ατόμων C Μία καρβοξυλική ομάδα Έναν ή περισσότερους διπλούς δεσμούς.

Ταξινόμηση Λιπών

Ταξινόμηση Λιπών

Τα σημαντικότερα λιπαρά οξέα

Ακυλογλυκερόλες Είναι τα λιπίδια που αποτελουνται από γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Τριακυλογλυκερόλη: είναι αποτέλεσμα εστεροποίησης τριών υδροξυλομάδων της γλυκερόλης με λιπαρά οξέα

Φωσφογλυκερίδια Περιέχουν ως δομικό στοιχείο την γλυκερόλη Περιέχουν ως δομικό στοιχείο την γλυκερόλη Δυο υδροξυλομάδες της γλυκερόλης εστεροποιούνται με μακροσκελή λιπαρά οξέα Η προσθήκη του φωσφορικού οξέος στην τρίτη θέση προσδίδει ένα κέντρο ασυμμετρίας στο C2 της γλυκερόλης Το κατάλοιπο φωσφορικό οξύ μπορεί να εστεροποιηθεί με της αλκοόλες χολίνη, αιθανολαμίνη και σερίνη, για να προκύψουν αντίστοιχα τα φωσφογλυκερίδια, φωσφατιδυλοχολίνη, φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη και φωσφατιδυλοσερίνη.

Τα φωσφογλυκερίδια είναι αμφίφιλες ενώσεις, δηλαδή έχουν υδρόφιλο και υδρόφοβο τμήμα. Οι αλειφατικές αλυσίδες των λιπαρών οξέων συνιστούν το υδρόφοβο τμήμα, ενώ τα φορτισμένα τμήματα χολίνης, αιθανολαμίνης και σερίνης μαζί με το φορτισμένο φωσφορικό κατάλοιπο συνιστούν το υδρόφιλο τμήμα. Ιδιαίτερη σημασία έχει η ικανότητα τους να σχηματίζουν λιπιδικές διπλοστοιβάδες, οι οποίες αποτελούν την βασική δομή των βιολογικών μεμβρανών

Σφιγγολιπίδια Η συνδέση ενός λιπαρού οξέος με την αμινομάδα της σφιγγοσίνης οδηγεί στο σχηματισμό κηραμιδίου Με σύνδεση φωσφορυλοχολίνης στην τελική υδροξυλομάδα του κηραμιδίου προκύπτει η σφιγγομυελίνη Εάν στην τελική υδροξυλομάδα του κηραμιδίου συνδεθούν σάκχαρα, προκυπτουν γλυκοσφιγγολιπίδια (κερεβροσίδια, γαγγλιοσίδια)‏

Ισοπρενολιπίδια Δομικός λίθος είναι το ισοπρένιο το οποίο σχηματίζεται με πολυμερισμό μορίων απλής αλυσίδας τα οποία υπό συγκεκριμένες συνθήκες μπορούν να κυκλοποιηθούν Πχ τα στεροειδή Η χοληστερόλη είναι η ένωση από την οποία ξεκινά η βιοσύνθεση των στεροειδών ορμονών, της βιταμίνης D και των χολικών οξέων

Λειτουργίες των λιπιδίων Στα λιπίδια της διατροφής περιλαμβάνονται: Τριακυλογλυκερόλες (υπερτερούν ποσοτικά)‏ Φωσφολιπίδια Σφιγγολιπίδια Χοληστερόλη κι εστέρες χοληστερόλης Με εξαίρεση την ελεύθερη χοληστερόλη, όλα τα λιπίδια πρέπει να διασπαστούν στους βασικούς λίθους για να απορροφηθούν Αυτό επιτυγχάνεται μέσω υδρολυτικής διάσπασης των εστερικών δεσμών που περιέχουν τα λιπίδια

Οι τριακυλογλυκερόλες είναι το κύριο μέρος των λιπιδίων της διατροφής, και διασπάται από την παγκρεατική τριακυλογλυκερολολιπάση,με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός μίγματος λιπαρών οξέων, γλυκερόλης και μονοακυλογλυκερολών. Τα λιπίδια σχηματίζουν μαζί με τα χολικά οξέα μικκύλια ,στα οποία συμπεριλαμβάνονται κι άλλα λιπίδια (πχ λιποδιαλυτές βιταμίνες). Τα μικκύλια αυτά απορροφώνται από τα κύτταρα του βλεννογόνου του δωδεκαδακτύλου

Μετά από την απορρόφησή των λιπιδίων τα θραύσματα ανασυνθέτουν τριακυλογλυκερόλες. Αυτά αλληλεπιδρούν με άλλα απορροφηθέντα λιπίδια και την απολιποπρωτεϊνη Β και προκύπτουν χυλομικρά. Τα χυλομικρά οδηγούνται προς τις εντερικές λεμφικές οδούς και καταλήγουν στο πλάσμα.

Λειτουργίες των λιπιδιών Τα λιπίδια οξειδώνονται στα μιτοχόνδρια σε νερό και CO2, Η αποικοδόμηση των λιπαρών οξέων με την β-οξείδωση οδηγεί στην παραγωγή ΑΤP, διαμέσου της αναπνευστικής αλυσίδας Χρησιμοποιούνται ως δομικά συστατικά (στις βιολογικές μεμβράνες συμμετέχουν τα φωσφολιπίδια, τα γλυκολιπίδια και η χολυστερίνη). Εμπλέκονται στην μεταγωγή μνημάτων στην κυτταρική επιφάνεια Είναι μονωτές, η παρουσία τους στις μεμβράνες εκτός των άλλων συμβάλει στη θερμική μόνωση των κυττάρων και καθιστά δυνατή τη δημιουργία ηλεκτρικού μεμβρανικού δυναμικού