Solubiologian ja biokemian perusteiden luennot. Elina Oksanen. Itä-Suomen yliopisto Biologian laitos. Campbell, Biology, 9th ed, luento 1-2

Transkriptio

1 Solubiologian ja biokemian perusteiden luennot Elina ksanen Itä-Suomen yliopisto Biologian laitos ampbell, Biology, 9th ed, luento 1-2 Mitä biokemia on? p elämän ilmiöt kemiallisesta näkökulmasta n elävän solun elintoiminnat ja niiden säätely n toimiva solu koostuu tuhansista kemiallisista reaktioista; niiden yhteistoiminta on välttämätöntä p fysiologisten ilmiöiden kemiallinen tausta n esim. kuinka auringon valon avulla saadaan hiilidioksidista hiilihydraatteja p läheisessä yhteydessä fysiologiaan, solubiologiaan, anatomiaan, molekyylibiologiaan, ekofysiologiaan, genetiikkaan p analyysikeinot hyvin samantapaisia kuin orgaanisessa kemiassa p kehittyi 1940-luvulla; nykyisin välttämätön asema luonnontieteessä 1

2 ell fractionation (solukomponenttien erottelu) Elävän solun pääkomponentit 1. iilihydraatit: esim selluloosa, glykogeeni, tärkkelys 2. Aminohapot proteiinit (mm. entsyymit) 3. Nukleotidit nukleiinihapot (DNA, ATP) 4. Lipidit: esim. fosfolipidit solukalvoissa 2

3 iiliyhdisteet p Soluissa 70-95% vettä; muu osa koostuu pääosin hiiliyhdisteistä (hiilihydraatit, DNA, entsyymit) p yhdisteet joissa hiiltä, ovat orgaanisia (orgaaninen kemia) p yleisimmät alkuaineet liittyneinä hiileen ovat,, N, S, P p molekyylien koko vaihtelee 2 :sta ja 4 :sta (metaani) kookkaisiin proteiineihin (paino jopa yli 100,000 daltonia) p yleensä em. pääkomponenttien osuus on samankaltainen kaikissa eliöissä p kuitenkin, eliöiden ja jopa yksilöiden välillä vaihtelu hiiliyhdisteissä on valtaisaa p orgaanisia yhdisteitä voidaan myös syntetisoida Kemialliset sidokset p liittävät atomeja, ioneja tai molekyylejä toisiinsa p ionisidokset: n atomi luovuttaa toiselle atomille yhden tai useamman elektronin n negatiivinen ioni-positiivinen ioni, sähköstaattinen vetovoima sitoo toisiinsa n vesiliuoksissa heikkoja (n. 3-7 kcal/mooli), mutta ilman vettä lujia, esim. Nal kide p vetysidokset: n keskeisiä biologiassa n muodostuvat, kun vetyatomi, joka on kovalenttisesti kiinni elektronegatiivisessa atomissa (esim ja N), on lähellä toista samanlaista atomia n suuntautunut n yhtä vahva kuin ionisidos vedessä (n. 3-7 kcal/mooli) p kovalenttiset sidokset: n yhteinen elektronipari tai yhteiset elektroniparit, esim. 2 3

4 Ionic bond p A well known example is table salt, sodium chloride. Sodium gives up its one outer shell electron completely to chlorine which needs only one electron to fill its shell. Thus, the attraction between these atoms is much like static electricity since opposite charges attract ydrogen bonds p ydrogen bond is important in determining many important properties of water that make it such an important liquid for living things. Water can also form this type of bond with other polar molecules or ions such as hydrogen or sodium ions. Further, hydrogen bonds can occur within and between other molecules. For instance, the two strands of a DNA molecule are held together by hydrogen bonds. ydrogen bonding between water molecules and the amino acids of proteins are involved in maintaining the protein's proper shape A small group of water molecules. ydrogen bonds between unlike charges are shown as lines without arrows on the ends. The double arrowed lines represent the fact that like charges repell each other. Both hydrogen bonds and the repelling forces balance each other and both are important in determining the properties of water 4

5 p ovalent bonds involve a complete sharing of electrons and occurs most commonly between atoms that have partially filled outer shells or energy levels. Thus if the atoms are similar in negativity then the electrons will be shared. arbon forms covalent bonds. The electrons are in hybrid orbitals formed by the atoms involved as in this example: ethane. Diamond is strong because it involves a vast network of covalent bonds between the carbon atoms in the diamond ovalent bonds etaani Kemialliset sidokset p van der Waalsin sidokset: n epäspesifinen voima, joka toimi lähietäisyydellä, kun mitkä tahansa kaksi atomia ovat sopivan matkan päässä toisistaan n jos atomit ovat liian lähekkäin, alkavat hylkiä toisiaan n heikko, n. 1 kcal/mooli p heikkojen sidosten merkitys: n hajoavat helposti, mikä on usein välttämätöntä solun toiminnan kannalta n kun heikkoja sidoksia on molekyylissä paljon, saavat aikaan tiukkojakin liitoksia, esim. DNA kaksoisjuoste, solukalvot, vasta-aine + antigeeni liitos n lyhytaikainen sitoutuminen mahdollista, esim. entsyymi-substraatti kompleksin muodostuminen n entsyymin toiminnan kannalta on usein välttämätöntä että 3-ulotteinen muoto hieman muuttuu 5

6 rgaanisen kemian synty p 3,5-4 miljardia vuotta sitten maapallolla oli lämmintä, hapetonta, salamointia, ammoniakkia, metaania, vetyä, hiilidioksidia, voimakas UV-säteily n näissä oloissa (koeputkessakin) saadaan ensin mm. formaldehydiä (), etikkahappoa ( 3 ), glysiiniä, alaniinia näistä edelleen muodostuu hiilihydraatteja, aminohappoja, nukleotideja, rasvahappoja: pitkän ajan kuluessa kehittynyt ns. alkusoppa EXPEIMENT Stanley Miller 1953 Water vapor Atmosphere 4 Electrode Figure 4.2 Inquiry: ould organic compounds have been synthesized abiotically on the early Earth? ooled water containing organic molecules N 3 2 ondenser old water 2 sea Sample for chemical analysis 6

7 Elämän synty päävaiheittain p alussa ei soluja p ensimmäiset elämän kaltaisesti toimivat molekyylit ribonukleiinihappoa (rna) n syntynyt spontaanisti kemikaaleista n osaa kopioida itseään, myös säätelytoimintoja n punoi ketjuja aminohapoista proteiinit entsyymit p entsyymien toimesta muodostuivat biologiset kalvot, solukalvot p vähitellen dna-juostetta geenit p esieliöt, jossain alkukodissa evoluutio solu iiliatomi p valenssiluku määrää likimain atomin kemiallisten sidosten mahdollisuudet; hiilellä = 4 heikko taipumus tehdä ionisidoksia (pitäisi luovuttaa tai vastaanottaa 4 elektronia) mieluummin täydentää valenssiluvun jakamalla elektroneja muiden atomien kanssa = kovalenttiset sidokset monien alkuaineiden kanssa p tetravalenssi: isojen ja monimutkaisten molekyylien muodostuminen mahdollista n 109,5 o kulma yksöissidoksissa 7

8 Figure 4.4 Electron-shell diagrams showing valences for the major elements of organic molecules ydrogen xygen Nitrogen arbon (valence = 1) (valence = 2) (valence = 3) (valence = 4) N Figure 4.3 The shapes of three simple organic molecules Name and omments Molecular Formula Structural Formula Ball-and-Stick Model Space-Filling Model (a) Methane 4 (b) Ethane 2 6 (c) Ethene (ethylene) 2 4 8

9 Figure 4.5 Variations in carbon skeletons (a) Length (b) Branching (c) Double bonds (d) ings Ethane Propane Butane 2-methylpropane (commonly called isobutane) 1-Butene 2-Butene yclohexane Benzene iilivedyt p koostuvat vain hiilestä ja vedystä p vaihtelevan muotoisia ja kokoisia p mm. fossiiliset polttoaineet (energiapitoisia) n kaksoissidoksia n muodostuneet eliöiden hajotessa miljoonien vuosien kuluessa p rasvoissa pitkä hiilivetyhäntä p - sidosten auetessa vapautuu paljon energiaa p veteen liukenemattomia 9

10 Fat droplets (stained red) 100 µm (a) Mammalian adipose cells (b) A fat molecule Figure 4.7 Three types of isomers (a) Structural isomers (b) Geometric isomers X X X cis 2 X 2 trans (c) Enantiomers N 2 N L isomer D isomer 10

11 Figure 4.8 Drug ondition Effective Enantiomer Ineffective Enantiomer Ibuprofen Pain; inflammation S-Ibuprofen -Ibuprofen Albuterol Asthma -Albuterol S-Albuterol Figure 4.6ax Structural isomers butaani isobutaani

12 Geometric isomers cis isomer: The two Xs are on the same side. trans isomer: The two Xs are on opposite sides. (b) Geometric isomers Figure 4.8 The pharmacological importance of enantiomers L-Dopa (effective against Parkinson s disease) D-Dopa (biologically inactive) 12

13 Two Images To Show the Enantiomers f Thalidomide The only difference is the positioning of the functional groups, yet it was believed this affected much more than the optical activity of the compound Talidomidia p 1950-luvulla, laaja käyttö, mm. Länsi-Saksa p talidomidi: unilääke, raskauspahoinvointi p tehoaa moneen tautiin: syöpä, aids, reuma, spitaali, ihottumat jne. p kemiallisessa valmistuksessa muodostuu kaksi peilikuvaa - ongelma p vaikutusmekanismeja ei tunnettu myyntilupaa saadessa n hillitsee tehokkaasti tulehduksia: estää tulehdusreaktion käynnistymiseen osallistuvan TNF (tuumorinekroositekijän) muodostumista n TNF välttämätön alkionkehityksessä käsien, jalkojen ja elinten muotoutumisessa 13

14 Toiminnalliset ryhmät (functional groups) p osallistuvat kemiallisiin reaktioihin p sitoutuvat yhteen tai useampaan hiilivedyn hiiliatomiin p antavat ko. molekyylille sen toiminnalliset ominaisuudet p - (alkoholit), > (aldehydit tai ketonit), - (karboksyylihapot), -N 2 (amiinit), -S (tiolit), -P 3 2- (fosfaatit) n hydrofiilisiä, eli lisäävät yhdisteen liukoisuutta veteen Figure 4.9-a EMIAL GUP ydroxyl arbonyl arboxyl STUTUE (may be written ) NAME F MPUND Alcohols (Their specific names usually end in -ol.) Ketones if the carbonyl group is within a carbon skeleton arboxylic acids, or organic acids Aldehydes if the carbonyl group is at the end of the carbon skeleton EXAMPLE Ethanol Acetone Acetic acid Propanal FUNTINAL PPETIES Is polar as a result of the electrons spending more time near the electronegative oxygen atom. A ketone and an aldehyde may be structural isomers with different properties, as is the case for acetone and propanal. Acts as an acid; can donate an + because the covalent bond between oxygen and hydrogen is so polar: an form hydrogen bonds with water molecules, helping dissolve organic compounds such as sugars. Ketone and aldehyde groups are also found in sugars, giving rise to two major groups of sugars: ketoses (containing ketone groups) and aldoses (containing aldehyde groups). Nonionized Ionized Found in cells in the ionized form with a charge of 1- and called a carboxylate ion. 14

15 Figure 4.9-b Amino Sulfhydryl Phosphate Methyl (may be written S ) Amines Thiols rganic phosphates Methylated compounds Glycine ysteine Glycerol phosphate 5-Methyl cytidine Acts as a base; can pick up an + from the surrounding solution (water, in living organisms): Nonionized Ionized Found in cells in the ionized form with a charge of 1+. Two sulfhydryl groups can react, forming a covalent bond. This cross-linking helps stabilize protein structure. ross-linking of cysteines in hair proteins maintains the curliness or straightness of hair. Straight hair can be permanently curled by shaping it around curlers and then breaking and re-forming the cross-linking bonds. ontributes negative charge to the molecule of which it is a part (2 when at the end of a molecule, as above; 1 when located internally in a chain of phosphates). Molecules containing phosphate groups have the potential to react with water, releasing energy. Addition of a methyl group to DNA, or to molecules bound to DNA, affects the expression of genes. Arrangement of methyl groups in male and female sex hormones affects their shape and function. ATP (=adenosine triphosphate) Adenosine 15

16 ATP (=adenosine triphosphate) eacts with 2 P P P Adenosine P i P P Adenosine Energy ATP Inorganic phosphate ADP Figure 4.9 A comparison of functional groups of female (estradiol) and male (testosterone) sex hormones Estradiol 3 Female lion 3 3 Testosterone Male lion 16

17 p Elävän solun pääkomponentit Soluissa pienemmät molekyylit yhdistyvät suuremmiksi makromolekyyleiksi: 1. iilihydraatit: esim selluloosa, glykogeeni, tärkkelys 2. Aminohapot proteiinit (mm. entsyymit) 3. Lipidit: esim. fosfolipidit solukalvoissa 4. Nukleotidit nukleiinihapot (DNA, ATP) p koostuvat pienemmistä toistuvista yksiköistä eli monomeereistä (kuten glukoosi) polymeroitumalla p muodostuu kovalenttiset sidokset yksiköiden välille: kondensaatio/ dehydraatio ( vapautuu vettä, kuluu ATP, vaatii entsyymitoimintaa) p pilkkoutuvat hydrolyysissä Figure 5.2 The synthesis and breakdown of polymers Short polymer Dehydration removes a water molecule, forming a new bond Unlinked monomer Longer polymer (a) Dehydration reaction in the synthesis of a polymer ydrolysis adds a water molecule, breaking a bond (b) ydrolysis of a polymer opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 17

18 iilihydraatit p ilmeisesti muodostunut jo alkusopassa p aldehydi- ja ketoniyhdisteitä, joissa vähintään 2 ryhmää p valtaosa maapallon orgaanisesta massasta n polttoaineena n metabolian välivaiheena n rakenneosina: nukleiinihapot, koentsyymit, monet proteiinit ja lipidit, soluseinissä kasveilla, hyönteisillä, niveljalkaisilla p monosakkaridit, disakkaridit, polysakkaridit Figure 5.3 The structure and classification of some monosaccharides Triose sugars ( ) Pentose sugars ( ) exose sugars ( ) Aldoses Ketoses Glyceraldehyde ibose Glucose Galactose Dihydroxyacetone ibulose Fructose opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 18

19 Monosakkaridit p aldehydejä tai ketoneja (>), joissa yksi tai useampi p nimeäminen hiiliketjun pituuden mukaan: n trioosit (3 -atomia), tetroosit (4 ), pentoosit (5 ), heksoosit (6; mm. glukoosi, mannoosi, galaktoosi) p pentoosit ja heksoosit esiintyvät liuoksissa yleensä rengasmaisena p glukoosi soluhengitys, selluloosa, amino- ja rasvahapposynteesi p kahden monosakkaridin yhdistyessä muodostuu glykosidinen sidos: glu + glu = maltoosi (= disakkaridi) Figure 5.4 Linear and ring forms of glucose (a) Linear and ring forms. hemical equilibrium between the linear and ring structures greatly favors the formation of rings. To form the glucose ring, carbon 1 bonds to the oxygen attached to carbon 5. opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings (b) Abbreviated ring structure. Each corner represents a carbon. The ring s thicker edge indicates that you are looking at the ring edge-on; the components attached to the ring lie above or below the plane of the ring. 19

20 Disakkaridit p muodostuvat kahden monosakkaridin liittyessä toisiinsa n glukoosi + fruktoosi = sakkaroosi (=ruokosokeri) p kasveissa kuljetusmuotona n glukoosi + galaktoosi = laktoosi p maidossa, laktaasi-entsyymi pilkkoo n glukoosi + glukoosi = maltoosi p syntyy esim. jyvien itämisessä (tärkkelysketjun pilkkoutuessa) Figure 5.5 Examples of disaccharide synthesis (a) Dehydration reaction in the synthesis of maltose. The bonding of two glucose units forms maltose. The glycosidic link joins the number 1 carbon of one glucose to the number 4 carbon of the second glucose. Joining the glucose monomers in a different way would result in a different disaccharide. (b) Dehydration reaction in the synthesis of sucrose. Sucrose is a disaccharide formed from glucose and fructose. Notice that fructose, though a hexose like glucose, forms a five-sided ring. 2 Glucose 2 Glucose Glucose Fructose glycosidic 4 linkage Maltose glycosidic 2 linkage 2 Sucrose opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 20

21 Polysakkaridit p muodostuvat satojen tuhansien monosakkaridien liittyessä toisiinsa glykosidisin sidoksin p hyviä energianlähteitä: n glykogeeni (eläinsolujen tavallisin säilytysmuoto): p maksassa ja lihaksissa n tärkkelys (kasvien varastomuoto): p muodostuu pelkästään α-glukoosista, 1-4 sidoksin p 2 päämuotoa: amyloosi (helix) ja amylopektiini (haarainen) p amylaasi-entsyymi pilkkoo p plastideissa Figure 5.6 Storage polysaccharides of plants and animals hloroplast Starch Mitochondria Glycogen granules 0.5 µm 1 µm Amylose Amylopectin Glycogen (a) Starch: a plant polysaccharide (b) Glycogen: an animal polysaccharide opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 21

22 Figure 5.7 Starch and cellulose structures α glucose β glucose (a) α and β glucose ring structures (b) Starch: 1 4 linkage of α glucose monomers (c) ellulose: 1 4 linkage of β glucose monomers 2 2 opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings p rakennusaineena: n selluloosa: Polysakkaridit p kasvien soluseinissä rakennusaineena; maapallon yleisin orgaaninen yhdiste: syntetisoidaan kg vuosittain p muodostuu β-glukoosista: β-sidokset eivät hydrolysoidu (vaikealiukoinen) ruoansulatuskanavassa ilman sellulaasientsyymiä (sellulolyyttiset mikrobit) n kitiini: p hyönteisten ja sienten soluseinissä; sisältää typpeä (Nasetyyliglukosamiinia) 22

23 Figure 5.8 The arrangement of cellulose in plant cell walls Microfibril ell walls ellulose microfibrils in a plant cell wall About 80 cellulose molecules associate to form a microfibril, the main architectural unit of the plant cell wall. 0.5 µm Plant cells Parallel cellulose molecules are held together by hydrogen bonds between hydroxyl groups attached to carbon atoms 3 and β Glucose ellulose molecules A cellulose molecule is an unbranched β glucose polymer. monomer opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 23

24 24

25 Figure 5.9 ellulose-digesting bacteria are found in grazing animals such as this cow opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Figure 5.10 hitin, a structural polysaccharide 2 N 3 (a) The structure of the chitin monomer. (b) hitin forms the exoskeleton of arthropods. This cicada is molting, shedding its old exoskeleton and emerging in adult form. (c) hitin is used to make a strong and flexible surgical thread that decomposes after the wound or incision heals. opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 25

26 Kitiini p toiseksi yleisin polysakkaridi luonnossa (selluloosan jälkeen): mm. hyönteisten kovissa osissa (mm. jalat, suojukset), sienissä, simpukankuorissa, hämähäkin seitissä p eliökehässä syntetisoidaan ja hajotetaan vuosittain vähintään 10 gigatonnia (Gt) p koostuu N-asetyyliglukosamiinista p hyvin adaptiivinen materiaali: voi olla jäykkää tai joustavaa p kitosaani (chitosan) on ns. man-made kitiini n dieettituotteissa, kosmetiikassa, lääketieteessä (mm. haavojen ja palovammojen hoidossa edullinen hoitava vaikutus) n tukee sekä kasvien että eläinten vasta-ainepuolustusta (immuniteettia) p esiintyy luonnossa usein komplekseina, mm. polypeptidien ja muiden polysakkaridien kanssa Lipidit (rasvat) p niukkaliukoisia veteen, liukoisia moniin orgaanisiin liuottimiin p monimuotoisia muodoltaan ja toiminnoiltaan p rasvat muodostuvat glyserolista (alkoholi) ja rasvahapoista (pitkiä hiilivetyketjuja, toisessa päässä ), esterisidoksin n rasvahapoissa yleensä 14, 16 tai 18 hiiliatomia p esim palmitiinihappo, öljyhappo, linolihappo, linoleenihappo p rasvahappojen 2-sidosten määrä vaihtelee: n tyydyttyneet rasvahapot: ei 2-sidoksia (kiinteitä jos > 8, esim voi) n tyydyttymättömät rasvahapot: yksi tai useampia 2-sidoksia (nestemäisiä, esim. oliiviöljy, kalanmaksaöljy) 26

27 27 opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings (b) Fat molecule (triacylglycerol) Glycerol Fatty acid (palmitic acid) (a) Dehydration reaction in the synthesis of a fat Ester linkage Figure 5.11 The synthesis and structure of a fat, or triacylglycerol opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Figure 5.12 Examples of saturated and unsaturated fats and fatty acids (a) Saturated fat and fatty acid Stearic acid (b) Unsaturated fat and fatty acid cis double bond causes bending leic acid

28 Lipidit p myös rasvahappojen hiiliketjun pituus vaihtelee: n 16:0 (palmitaatti): 16 -atomia, ei yhtään 2-sidosta n 16:1 (palmitoleaatti): 16 -atomia, yksi 2-sidos n 18:2 (linoleaatti): 18 -atomia, kaksi 2-sidosta p hiiliketjun pituus ja 2-sidosten lukumäärä vaikuttavat yhdessä rasvojen sulamispisteeseen (kiinteä/neste) n yhden kaksoissidoksen esiintyminen molekyylissä alentaa sulamispistettä niin huomattavasti, että 18 öljyhappo on huoneenlämpötilassa neste p Fosfolipidit: Lipidit n solukalvojen (membraanien) pääkomponentti: muodostavat kaksoiskerroksen n ambivalentteja vedessä: rasvahappohännät (2) ovat hydrofobisia, mutta fosfaattipää hydrofiilinen (negatiivisesti varautunut) muodostavat misellejä p Steroidit: n kolesteroli: solukalvojen osa, lähtöaine muille steroideille (mm. hormoneille) 28

29 Figure 5.13 The structure of a phospholipid ydrophilic head 2 2 N( 3 ) 3 2 P 2 + holine Phosphate Glycerol Fatty acids ydrophobic tails ydrophilic head ydrophobic tails (a) Structural formula (b) Space-filling model (c) Phospholipid symbol opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Figure 5.14 Bilayer structure formed by self-assembly of phospholipids in an aqueous environment ydrophilic head WATE ydrophobic tail WATE opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 29

30 Figure 5.13 Two structures formed by self-assembly of phospholipids in aqueous environments Figure 5.15 holesterol, a steroid holesterol molecules have several functions in the membrane: They immobilize the first few hydrocarbon groups of the phospholipid molecules. This makes the lipid bilayer less deformable and decreases its permeability to small water-soluble molecules. Without cholesterol (such as in a bacterium) a cell would need a cell wall. 30

31 opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Proteiinit l. polypeptidit p >50% solun kuivapainosta p mukana kaikissa elintoiminnoissa p monimutkaisimpia molekyylejä: n kullakin ominainen 3-ulotteinen muoto p koostuvat aminohapoista polypeptidi 31

32 Proteiinien tehtäviä 1. Entsymaattinen katalyysi: n soluissa tuhansia erilaisia entsyymejä n esim. emophilus influenzae bakteerissa n geeniä, joista valtaosa koodaa jotakin entsyymiä n hiivalla n geeniä n ihmisellä n geeniä n käytännössä kaikki solun metabolia entsyymien katalysoimaa, säädeltyä n metabolian säätely mahdollista entsyymiaktiivisuutta tai pitoisuutta säätelemällä 2. Kuljetus ja varastointi: Proteiinien tehtäviä n ionien ja molekyylien kuljetus solukalvon läpi p p kullakin aineella on spesifinen tai useita spesifisiä kuljettajaproteiineja (ns. kantajia, carrier) kuljetuksen tehokas ja tarkka säätely n pitkänmatkan kuljetuksessa esim. happea keuhkoista kuljettava veren hemoglobiini (b) n lihaksissa myoglobiini (Mb) sitoo happea (varastointi) n eläimissä seerumialbumiini sitoo typpeä 32

33 3. Liikkuminen: Proteiinien tehtäviä n lihasten toiminta (aktiini ja myosiini), flagellojen ja cilioiden liikkeet, kromosomien liikkeet solun jakautuessa, kasvien sytoplasman liikkuminen 4. Tuki ja suojaus: n kollageeni luissa, rustoissa ja jänteissä (pitkä ja venyvä proteiini) n keratiini ihossa, kynsissä ja hiuksissa 5. Aistinsolujen toiminta: n valoa aistiva rodopsiini (silmässä) hermoimpulssin synty 6. Puolustus: n kasvien ja eläinten toksiinit (myrkylliset yhdisteet, esim käärmemyrkyt, risiini) Proteiinien tehtäviä 7. Immunosuojaus (vasta-aineet): n eläimet tuottavat vasta-aineita ulkopuolisia yhdisteitä (proteiinit, hiilihydraatit ym.) vastaan n vasta-aineet eli antibodyt tunnistavat kohteen (antigeenin), ja valkosolu-puolustus käynnistyy n hyvin spesifinen mekanismi 8. Metabolian, kasvun ja kehityksen säätely: n entsyymiaktiivisuuksien säätely, geenitoiminnan säätely n säätelyproteiinit tunnistavat tietyn geeni säätelyalueella olevia sitoutumiskohtia (bokseja, cis-elementtejä) ja sitoutuvat ko. kohtaan aktivoidakseen tai inaktivoidakseen geenin n usein kullakin geenillä on useita säätelyalueita geenin ilmeneminen näiden yhteistoiminnan tuloksena 33

34 Table 5.1 An verview of Protein Functions opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Amino acids α carbon N Amino group arboxyl group opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 34

35 Aminohapot p - ja N 2 -ryhmä, jotka liittyneet samaan hiiliatomiin (α-hiili, asymmetrinen keskus) p tähän α-hiileen liittynyt myös -atomi ja jokin sivuketju ( group), joka ominainen kullekin aminohapolle (20 erilaista ah) p sivuketjun koostumus aminohapon fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet n hydrofobiset (alifaattiset, nonpolaariset) aminohapot n hydrofiiliset (aromaattiset, polaariset) aminohapot n ionisoituneet aminohapot (sivuketju emäksinen tai hapan) Basic structure of an amino acid nly the L-amino acids are found in proteins D-amino acids rarely occur in nature, but are found in bacterial cell walls 35

36 Figure 5.16 Nonpolar side chains; hydrophobic Side chain ( group) Glycine (Gly or G) Alanine (Ala or A) Valine (Val or V) Leucine (Leu or L) Isoleucine (Ile or I) Methionine (Met or M) Phenylalanine (Phe or F) Tryptophan (Trp or W) Proline (Pro or P) Polar side chains; hydrophilic Serine (Ser or S) Threonine (Thr or T) ysteine (ys or ) Tyrosine (Tyr or Y) Asparagine (Asn or N) Glutamine (Gln or Q) Electrically charged side chains; hydrophilic Basic (positively charged) Acidic (negatively charged) Aspartic acid (Asp or D) Glutamic acid (Glu or E) Lysine (Lys or K) Arginine (Arg or ) istidine (is or ) Figure 5.16a Nonpolar side chains; hydrophobic Side chain Glycine (Gly or G) Alanine (Ala or A) Valine (Val or V) Leucine (Leu or L) Isoleucine (Ile or I) Methionine (Met or M) Phenylalanine (Phe or F) Tryptophan (Trp or W) Proline (Pro or P) 36

37 Figure 5.16b Polar side chains; hydrophilic Serine (Ser or S) Threonine (Thr or T) ysteine (ys or ) Tyrosine (Tyr or Y) Asparagine (Asn or N) Glutamine (Gln or Q) Figure 5.16c Electrically charged side chains; hydrophilic Acidic (negatively charged) Basic (positively charged) Aspartic acid (Asp or D) Glutamic acid (Glu or E) Lysine (Lys or K) Arginine (Arg or ) istidine (is or ) 37

38 Aminohapot p liittyvät toisiinsa kovalenttisin peptidisidoksin (dipeptidi: 2 ah, tripeptidi 3 ah, oligopeptidissä muutamia ah, polypeptidissä monta ah) p esiintyvät vesiliuoksissa kahtaisionina (zwitterion): luovuttaa + -ionin N 2 :lle p liukenevat yleensä hyvin veteen (paitsi Tyr ja ys), mutta huonosti alkoholiin p laimeissa hapoissa ja emäksissä muodostavat suoloja p sulamispiste yli +200 o (hajoaa) Ihmiselle välttämättömät aminohapot leusiini (haaraketjuinen) isoleusiini (haaraketjuinen) valiini (haaraketjuinen) lysiini metioniini fenylalaniini treoniini tryptofaani histidiini (vauvat) arginiini (lapset) n Näitä välttämättömiä aminohappoja on saatava päivittäin ruoasta, koska niitä ei voida valmistaa elimistössä n Loput aminohapot ovat ns. ei-välttämättömiä (tai vähemmän välttämättömiä), sillä niitä voidaan valmistaa elimistössä muista yhdisteistä eli niitä ei tarvitse välttämättä saada ravinnosta 38

39 Ei-välttämättömät aminohapot ornitiini tyrosiini sitrulliini alaniini glysiini glutamiini glutamiinihappo asparagiini seriini aspartiinihappo (aspartaatti) kysteiini proliini tauriini Figure 5.18 Making a polypeptide chain Peptide bond S 2 N N N 2 2 DESMSMES (a) 2 DESMSMES DESMSMES S Peptide 2 2 bond 2 Side chains N N N Backbone (b) Amino end (N-terminus) arboxyl end (-terminus) opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 39

40 Aminohapposekvenssi = primaarinen rakenne (primary structure) p ensimmäinen ah-sekvenssi selvitettiin 1954 (F. Sanger): insuliini, 50 ah p p p sekvenssiä koodaa vastaava geeni nykyisin yleensä määritetään geenin nukleotidisekvenssi, josta sitten geneettisen koodin avulla luetaan aminohapposekvenssi sekvenssejä vertaamalla saadaan tietoa evoluutiosta: n esim. ihmisen ja simpanssin hemoglobiinit eroavat vain kahden ah kohdalla Aminohapposekvenssi p aminohapposekvenssit muuttuvat evoluution kuluessa n muuttuminen hidasta niissä proteiineissa, joilla keskeinen tehtävä ja toiminnallinen yhteys monelle taholle p on paljon proteiineja, joiden aminohapposekvenssi on hyvin samankaltainen kasveilla ja eläimillä n esim. glykolyysin entsyymit, histonit p sekvenssi kytkee DNA:ssa olevan informaation 3- ulotteiseen rakenteeseen, joka on biologisen toiminnan edellytys p ah-sekvenssi 3-ulotteinen rakenne 40

41 Leu Asp Ala Val Arg Gly Ser Pro Phe is Glu is Figure 5.20 Exploring Levels of Protein Structure: Primary structure + 3 N Amino end Lys Leu Met Val Gly Pro Thr Gly Pro ys Thr Gly Glu Lys Seu Amino acid subunits Val Ser Pro Ala Glu Lle Asp Thr Lys Ser Trp Tyr Leu Ala Lys Gly lle Asn Asp Ala Ser Gly Thr Thr Ala Thr Phe Val Val Ala Glu Tyr Thr lle Ala Arg Arg Ala Pro Ser Tyr Ser Tyr Pro Leu Leu Ser Val o Val Lys Glu Thr c Asn Pro o arboxyl end opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Toimiva proteiini p polypeptidissä säännöllisin välein vetysidoksia p vetysidokset sinänsä heikkoja, mutta usein toistuessaan aiheuttavat kierteisyyden muodostumisen = sekundaarinen rakenne (secondary structure): n α-helix: p tietyt aminohapot suosivat α-heliksin muodostumista n β-levy n aminohappojen sivuketjut eivät osallistu p osa polypeptidiketjusta aina epäsäännöllisillä rakenteilla: random coil 41

42 Figure 5.20 Exploring Levels of Protein Structure: Secondary structure β pleated sheet Amino acid subunits N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N α helix opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings α-helix 42

43 Toimiva proteiini p sivuketjujen ( groups) yhdysvaikutukset: vetysidokset, ionisidokset, hydrofobiset interaktiot, van der Waalsin sidokset, disulfidisillat stabiili 3- ulotteinen muoto (laskostuminen), jossa jokaisella atomilla tietty paikka = tertiäärinen rakenne (tertiary structure) p usein proteiinista toimiva vasta kun usea alayksikkö yhdistyy = kvaternaarinen rakenne (quaternary structure) = holoentsyymi n esim. hemoglobiini koostuu kahdesta α- ja kahdesta β- alayksiköstä Figure 5.20 Exploring Levels of Protein Structure: Tertiary structure ydrogen bond S S 2 Disulfide bridge 2 N Ionic bond ydrophobic interactions and van der Waals interactions Polypeptide backbone opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 43

44 Figure 5.20 Levels of protein structure + 3 N Amino end 15 Val Lya 1 Leu Met Gly Pro Thr Gly Thr Gly Glu ya Lya Seu Pro 10 Val 20 Leu Asp Ala Val Arg Gly Ser Pro 5 Ala 25 Amino acid subunits β pleated sheet N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N α helix opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Figure 5.20 Exploring Levels of Protein Structure: Quaternary Structure Polypeptide chain ollagen β hains α hains emoglobin Iron eme opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 44

45 Toimiva proteiini p toimivan proteiinin kannalta on oleellista että polypeptidiketju asettuu tiettyyn tarkasti määrättyyn 3-ulotteiseen muotoon, tapahtuu itsestään n esim. antibody tunnistaa antigeenin lukko-avain periaatteella n entsyymin ja substraatin tunnistus p pienikin muutos aminohapposekvenssissä vaikuttaa 3- ulotteiseen muotoon, ja siten toimintakykyyn p 3-ulotteinen rakenne hajoaa helposti (denaturaatio), jolloin entsymaattinen tai muu aktiivisuus katoaa n esim. kuumennus, kemikaalit, p muutos p joskus palautuminen (renaturaatio) mahdollista Figure 5.16 The catalytic cycle of an enzyme 1 Active site is available for a molecule of substrate, the reactant on which the enzyme acts. Substrate (sucrose) 2 Substrate binds to enzyme. Glucose Fructose Enzyme (sucrase) 2 4 Products are released. 3 Substrate is converted to products. opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings 45

46 Figure 5.22 Denaturation and renaturation of a protein Denaturation Normal protein Denatured protein enaturation opyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin ummings Denaturaatiota aiheuttavat tekijät p p p p p p korkeat lämpötilat: n työskenneltävät kylmässä, yleensä +4 o korkeat ja alhaiset p:t n käytettävä puskuroituja liuoksia n jokaisella proteiinilla oma p-alue, jossa säilyy natiivina voimakkaat suolakonsentraatiot: n pilkkovat ioni- ja vetysidoksia orgaaniset liuottimet: n hydrofobisia tunkeutuvat polypeptidin sisäosiin detergentit (pesuaineet): n analyysiastiat huuhdeltava hyvin pesun jälkeen liuoksen laimeus: n proteiinit suojaavat toisiaan, liiallinen laimennus poistaa tämän oman suojan proteiinianalyyseissä työskennellään kylmässä, nopeasti, käyttäen konsentroituja liuoksia, ja lisäten suojaavia aineita (esim. sakkaroosi, glyseroli, seerumialbumiini) 46

47 Figure 5.26 A chaperonin in action Laskostuminen monimutkainen tapahtuma, jossa chaperonikompleksit avustavat Myoglobiini ja hemoglobiini p sitovat happea eläinsoluissa: hemoglobiini veren punasoluissa, myoglobiini lihaksessa p myoglobiinin 3-ulotteinen rakenne selvitettiin ensimmäiseksi: 153 aminohappoa, taittunut kahdeksaan α-heliksiin p hemoglobiini koostuu neljästä alayksiköstä: 2 α-ketjua + 2 β- ketjua (α 2 β 2 ), kussakin hemi, muistuttaa myoglobiinia 3- ulotteiselta rakenteeltaan p hapen sitoutuminen b:n toiseen alayksikköön edistää sitoutumista toiseen (allosteerinen proteiini) p myoglobiinilla voimakkaampi affiniteetti happeen kuin b:llä 47

48 Figure 5.20i eme Iron β subunit α subunit α subunit β subunit emoglobin emi Fe (rauta) keskusatomina 48

49 emoglobiini: sikiö p sikiöillä hemoglobiini F (bf) koostuu kahdesta α-ketjusta ja kahdesta γ-ketjusta n aikuisten b:tä voimakkaampi affiniteetti happeen hapen otto äidin verestä sikiön verenkiertoon emoglobiini: poikkeavuuksia p hemoglobinopatia: tauteja, joissa esiintyy epänormaali hemoglobiini (mm. sirppisoluanemia (bs), jossa glutamaatin tilalla valiini molekyylin pintaominaisuudet tahmeiksi kussakin β- ketjun ulkopinnassa molekyyliin hydrofobinen kohta, joka kiinnittyy tahmeaan kohtaan b:n ketjuuntuminen punasolu ei toimi 49

50 Figure 5.21 A single amino acid substitution in a protein causes sickle-cell disease Primary structure Secondary and tertiary structures Normal hemoglobin Sickle-cell hemoglobiṇ Val is Leu Thr Pro Glu Glu... Primary Val is Leu Thr Pro Val Glu structure β subunit Secondary and tertiary structures β subunit Exposed hydrophobic region Quaternary structure Function ed blood cell shape α emoglobin A Molecules do not associate with one another; each carries oxygen β Normal cells are full of individual hemoglobin molecules, each carrying oxygen α β Quaternary structure Function 10 µm 10 µm ed blood cell shape β α β α emoglobin S Molecules interact with one another to crystallize into a fiber, capacity to carry oxygen is greatly reduced Fibers of abnormal hemoglobin deform cell into sickle shape 50