ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ

Transcript

1 T.,,,..,,.! " #.,, ", # $ $. ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ I.1.2 II ΧΗΜΙΚΟΙ ΕΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΟΡΙΑ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Iσχυροί και ασθενείς χηµικοί δεσµοί Γενική θεώρηση των µακροµορίων και του νερού ως βιολογικού διαλύτη ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Πολυσακχαρίτες Λιπίδια ουκλεϊκά οξέα Tα αµινοξέα και ο πεπτιδικός δεσµός Πρωτεΐνες: πρωτοταγής και δευτεροταγής δοµή Πρωτεΐνες: δοµές υψηλότερης τάξης και αποδιάταξη

2 6 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Γλωσσάριο εργασίας αποδιάταξη, µετουσίωση (denaturation) καταστροφή των ιδιοτήτων αναδίπλωσης µιας πρωτεΐνης, που οδηγεί (συνήθως) σε απώλεια της βιολογικής λειτουργίας της γλυκοζιτικός δεσµός (glycosidic bond) τύπος οµοιοπολικού δεσµού που συνδέει µεταξύ τους τα µονοµερή σακχάρων σε έναν πολυσακχαρίτη δεσµός υδρογόνου (hydrogen bond) ασθενής χηµικός δεσµός µεταξύ ενός ατόµου υδρογόνου και ενός δεύτερου, ηλεκτραρνητικότερου ατόµου, συνήθως οξυγόνου ή αζώτου δευτεροταγής δοµή (secondary structure) η αρχική αναδιπλωµένη δοµή που αποκτά ένα πολυπεπτίδιο ή πολυνουκλεοτίδιο συνήθως υπαγορεύεται από τις δυνατότητες σχηµατισµού δεσµών υδρογόνου εναντιοµερές (enantiomer) µορφή ενός µορίου που αποτελεί κατοπτρικό είδωλο µιας άλλης µορφής του ίδιου µορίου λιπίδιο (lipid) γλυκερόλη συνδεδεµένη µε λιπαρά οξέα ή άλλα υδρόφοβα µόρια µέσω εστερικού ή άλλου δεσµού. Περιέχει συχνά και άλλες οµάδες, όπως τη φωσφορική µακροµόριο (macromolecule) πολυµερές που συνίσταται από οµοιοπολικώς συνδεδεµένα µονοµερή µη πολικός (nonpolar) µε υδρόφοβα χαρακτηριστικά και δυσδιάλυτος στο νερό µόριο (molecule) δύο ή περισσότερα άτοµα συνδεδεµένα µεταξύ τους µε χηµικό δεσµό νουκλεοζίτης (nucleoside) νουκλεοτίδιο χωρίς τη φωσφορική του οµάδα νουκλεοτίδιο (nucleotide) µονοµερές νουκλεϊκού οξέος που περιέχει µια αζωτούχο βάση (αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, θυµίνη, ή ουρακίλη), ένα µόριο φωσφορικού, και ένα σάκχαρο που µπορεί να είναι ριβόζη (στο RA) ή δεοξυριβόζη (στο DA) οµοιοπολικός δεσµός (covalent bond) χηµικός δεσµός στον οποίο τα ηλεκτρόνια ανήκουν από κοινού σε δύο άτοµα πεπτιδικός δεσµός (peptide bond) τύπος οµοιοπολικού δεσµού που συνδέει αµινοξέα σε ένα πολυπεπτίδιο πολικός (polar) µε υδρόφιλα χαρακτηριστικά και εν γένει υδατοδιαλυτός πολυµερές (polymer) χηµική ένωση που σχη- µατίζεται µε πολυµερισµό και συγκροτείται από επαναλαµβανόµενες µονάδες που ονο- µάζονται µονοµερή πολυνουκλεοτίδιο (polynucleotide) πολυµερές νουκλεοτιδίων που συνδέονται µεταξύ τους µε φωσφοδιεστερικούς δεσµούς πολυπεπτίδιο (polypeptide) πολυµερές αµινοξέων που συνδέονται µεταξύ τους µε πεπτιδικούς δεσµούς πολυσακχαρίτης (polysaccharide) πολυµερές µονοσακχαριτών που συνδέονται µεταξύ τους µε γλυκοζιτικούς δεσµούς πρωτεΐνη (protein) πολυπεπτίδιο ή σύνολο πολυπεπτιδίων που συγκροτούν µόριο µε ειδική βιολογική λειτουργία πρωτοταγής δοµή (primary structure) (σε πληροφοριακά µακροµόρια, π.χ. πολυπεπτίδια) η ακριβής ακολουθία των µονοµερών µονάδων τεταρτοταγής δοµή (quaternary structure) (σε πρωτεΐνες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές υποµονάδες) ο αριθµός και η διευθέτηση των διακριτών πολυπεπτιδικών υποµονάδων στο τελικό πρωτεϊνικό µόριο τριτοταγής δοµή (tertiary structure) η τελική αναδιπλωµένη δοµή που αποκτά ένα πολυπεπτίδιο το οποίο έχει προηγουµένως αποκτήσει δευτεροταγή δοµή φωσφοδιεστερικός δεσµός (phosphodiester bond) τύπος οµοιοπολικού δεσµού που συνδέει µεταξύ τους τα νουκλεοτίδια σε ένα πολυνουκλεοτίδιο I ΧΗΜΙΚΟΙ ΕΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΟΡΙΑ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Για να κατανοηθούν η μικροβιολογία και οι βασικές λειτουργίες των κυττάρων, θα πρέπει πρώτα να κατανοηθούν οι χημικές διεργασίες που συντελούνται και τα μόρια που υπάρχουν μέσα στα κύτταρα. Τα μόρια, ιδιαίτερα τα μακρομόρια, που είναι τρόπον τινά τα «σωθικά» του κυττάρου, αποτελούν και το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου. Προϋποτίθεται, στο σημείο αυτό, ότι ο αναγνώστης κατέχει ορισμένες βασικές αρχές της χημείας, όσον αφορά τη χημική φύση των ατόμων και των μοριακών δεσμών. Εδώ θα εξετασθούν ιδιαίτερα οι μοριακοί δεσμοί βιοχημικού ενδιαφέροντος και θα μελετηθεί διεξοδικά η δομή και λειτουργία των τύπων μακρομορίων: πολυσακχαριτών, λιπιδίων, νουκλεϊκών οξέων, και πρωτεϊνών..1 Iσχυροί και ασθενείς χηµικοί δεσµοί Τα κυριότερα χημικά στοιχεία των έμβιων όντων είναι το υδρογόνο, το οξυγόνο, ο άνθρακας, το άζωτο, ο φωσφόρος, και το θείο. Αυτά τα στοιχεία δημιουργούν ποικίλους δεσμούς μεταξύ τους, ώστε να σχηματισθούν τα βιολογικά μόρια. Tι είναι όμως ένα μόριο; Μόριο είναι δύο ή περισσότερα άτομα συνδεδεμένα χημικώς μεταξύ τους. Δύο άτομα οξυγόνου () είναι δυνατόν να συνδεθούν, επί παραδείγματι, για τον σχηματισμό ενός μορίου οξυγόνου ( 2 ). Tα χημικά στοιχεία των έμβιων όντων μπορούν να σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς μεταξύ τους, στους οποίους τα ηλεκτρόνια ουσιαστικά ανήκουν εξίσου σε δύο άτομαø οι δεσμοί αυτοί ονομάζονται ομοιοπολικοί. Ας θεωρήσουμε, για παράδειγμα, την αντίδραση σχηματισμού ενός μορίου νερού από τα συνιστώντα στοιχεία του, και : + 2 Το άτομο του οξυγόνου έχει έξι ηλεκτρόνια στην εξωτερική ηλεκτρονιακή του στιβάδα, ενώ αυτό του υδρογόνου έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Κατά τον συνδυασμό δύο ατόμων και ενός για τον σχηματισμό 2 δημιουργούνται ομοιοπολικοί δεσμοί που διατηρούν τα τρία αυτά άτομα σε στενή σύνδεση μεταξύ τους. Με όμοιο τρόπο, αναλόγως βέβαια των στοιχείων, είναι δυνατόν να σχηματισθούν σε άλλα μόρια διπλοί και τριπλοί ομοιοπολικοί δεσμοί, με ισχύ που αυξάνεται δραστικά όσο αυξάνεται ο αριθμός των δεσμών (Εικόνα.1).

3 .1 ΙΣΧΥΡΟΙ ΚΑΙ ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΧΗΜΙΚΟΙ ΕΣΜΟΙ AÈı Ï ÓÈÔ AÈı Ï ÓÈÔ, ÌÈ ÔÚÁ ÓÈÎ ÓˆÛË Ì ÈappleÏfi ÂÛÌfi 70 9 ( 2 ) (2 ) P - (P - ) - ÈÔÍ ÈÔ ÙÔ ÓıÚ Î Õ ˆÙÔ ºˆÛÊÔÚÈÎ Ú ÂappleÙÈ ÈÎfi ÂÛÌfi appleúˆùâ ÓÒÓ K ÙÔÛ ÓË ( ˆÙÔ Ô ÛË ÙÔ DA Î È ÙÔ RA) AÎÂÙ Ï ÓÈÔ AÎÂÙ Ï ÓÈÔ, ÌÈ ÔÚÁ ÓÈÎ ÓˆÛË Ì ÙÚÈappleÏfi ÂÛÌfi ÚÈÛÌ Ó ÓfiÚÁ Ó ÂÓÒÛÂÈ Ì ÈappleÏfi ÙÚÈappleÏfi ÂÛÌfi 2 ÚÁ ÓÈÎ ÂÓÒÛÂÈ Ì ÈappleÏÔ ÂÛÌÔ 2 εσµοί υδρογόνου και άλλες ασθενείς αλληλεπιδράσεις Εκτός των ομοιοπολικών δεσμών, σπουδαίο ρόλο στα βιολογικά μόρια παίζει και ένας αριθμός πολύ πιο ασθενών χημικών δεσμών, ιδιαίτερα οι δεσμοί υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου (Εικόνα.2) σχηματίζονται μεταξύ ατόμων υδρογόνου και άλλων, περισσότερο ηλεκτραρνητικών στοιχείων, όπως οξυγόνου ή αζώτου. Από μόνος του, ο κάθε δεσμός υδρογόνου είναι πολύ α- σθενής. Όταν, όμως, σχηματίζονται πολλοί δεσμοί υδρογόνου, τόσο μέσα στο ίδιο μόριο όσο και μεταξύ διαφορετικών μορίων, η σταθερότητα των μορίων αυξάνεται σημαντικά. Δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται με ευχέρεια μεταξύ μορίων νερού (Εικόνα.2α), γεγονός που συντελεί βέβαια και στην πολικότητα του νερού. Εφόσον το άτομο οξυγόνου είναι σχετικά ηλεκτραρνητικό (ηλεκτρονιοδέκτης), ενώ το άτομο υδρογόνου όχι, στον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ οξυγόνου και υδρογόνου τα κοινά ηλεκτρόνια των εξωτερικών τροχιακών κινούνται ελαφρώς πλησιέστερα προς τον πυρήνα του οξυγόνου παρά προς τον πυρήνα του υδρογόνου. Λόγω του αρνητικού φορτίου των ηλεκτρονίων, αυτή η κίνηση οδηγεί σε 80 º ÈÓ Ï Ï Ó ÓË ( ÌÈÓÔÍ appleúˆùâ ÓÒÓ) Εικόνα.1 Οµοιοπολικοί δεσµοί ορισµένων βιολογικά σηµαντικών µορίων που περιέχουν διπλούς και τριπλούς δεσµούς. Στις περιπτώσεις του ακετυλενίου και του αιθυλενίου δίνεται και η ηλεκτρονιακή στερεοαπεικόνιση των µορίων. Η ισχύς ενός δεσµού ανά γραµµοµόριο (αριθµοί µε κόκκινο χρώµα) µετράται σε kilojoule (kj) και αντιστοιχεί στη θερµική ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του δεσµού αυτού. ( ) ÂÚfi K ÙÔÛ ÓË Ì ÓË R 1 R 2 R R ελαφρό διαχωρισμό φορτίου, ώστε το άτομο του οξυγόνου να είναι ηλεκτραρνητικότερο και το άτομο του υδρογόνου ηλεκτροθετικότερο (Εικόνα.2α). Καθώς τα μόρια του νερού προσανατολίζονται στο διάλυμα, το ελαφρά θετικό φορτίο του ατόμου του υδρογόνου μπορεί να συζεύξει τα αρνητικά φορτία δύο ατόμων οξυγόνου: αυτή η σύζευξη είναι ουσιαστικά ένας δεσμός υδρογόνου. Δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται επίσης σε μα- ( ) AÌÈÓÔÍ Û appleúˆùâ ÓÈÎ Ï Û. R Â Ó È Ë appleïâ ÚÈÎ Ï Û Î ıâ ÌÈÓÔÍ Ô. ÂÛÌÔ ÚÔÁfiÓÔ (Á) A ˆÙÔ Â ÛÂÈ ÛÙÔ DA Ô Ó ÓË A ÂÓ ÓË Εικόνα.2 εσµοί υδρογόνου. Στα νουκλεϊκά οξέα, οι δεσµοί υδρογόνου συµβολίζονται συχνά µε συνεχείς γραµµές αντί για στικτές: δύο γραµµές µεταξύ των ζευγών αδενίνης/θυµίνης και τρεις γραµµές µεταξύ των ζευγών γουανίνης/κυτοσίνης (βλ. Eικόνα.11).

4 8 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ κρομόρια (Εικόνα.2.β και γ). Όταν αυτές οι ασθενείς ηλεκτρικές δυνάμεις αναπτύσσονται σε ένα μεγάλο μόριο, όπως είναι μια πρωτεΐνη, βελτιώνουν τη σταθερότητα του μορίου και ενδέχεται να επηρεάζουν σημαντικά την όλη δομή του. Όπως θα δούμε παρακάτω, οι δεσμοί υδρογόνου έχουν βασική συνεισφορά στις βιολογικές ιδιότητες των μακρομορίων, ειδικά των πρωτεϊνών (Εικόνα.2β) και των νουκλεϊκών οξέων (Εικόνα.2γ) (βλ. Τμήματα.,.7, και.8). Τα βιομόρια δημιουργούν και άλλους τύπους ασθενών αλληλεπιδράσεων. Οι δυνάμεις van der Waals, παραδείγματος χάριν, είναι ασθενείς ελκτικές δυνάμεις μεταξύ ατόμων που απέχουν μεταξύ τους λιγότερο από - angstrom (Å). Η δράση των δυνάμεων van der Waals έχει ιδιαίτερη σημασία στην πρόσδεση των υποστρωμάτων στα ένζυμα (f Τμήμα.) και στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων. Πολύ σημαντικές για τα βιομόρια είναι επίσης οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις δημιουργούνται επειδή τα μη πολικά (υδρόφοβα) μόρια τείνουν να δημιουργούν συμπλέγματα μεταξύ τους όταν βρεθούν σε υδατικά διαλύματα. Κατά συνέπεια, οι περισσότερες μη πολικές περιοχές ενός μακρομορίου θα προσεγγίζουν η μια την άλλη και θα επικοινωνούν μεταξύ τους. Οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις μπορεί να έχουν πρωτεύοντα ρόλο στον μηχανισμό αναδίπλωσης των πρωτεϊνών ενώ, μαζί με τις δυνάμεις van der Waals, παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην ΠΙΝΑΚΑΣ.1 Λειτουργικές οµάδες ιδιαίτερης βιοχηµικής σηµασίας Xηµική οµάδα οµή α Bιολογική σπουδαιότητα Καρβοξυλική Αλδεϋδική Αλκοολική Κετονική Εστερική Φωσφοεστερική Θειοεστερική Αιθερική Οξεοανυδριτική Φωσφοανυδριτική P ~ S ~ P P~ P ργανικά οξέα, λιπαρά οξέα, αµινοξέα λιπίδια πρωτεΐνες Λειτουργική οµάδα αναγωγικών σακχάρων, π.χ. γλυκόζης πολυσακχαρίτες Λιπίδια υδατάνθρακες Πυροσταφυλικό, ενδιάµεσα κύκλου του Krebs Λιπίδια σε Βακτήρια και Ευκάρυα σύνδεση των αµινοξέων στα tra ουκλεϊκά οξέα, DA και RA Mεταβολισµός ενέργειας βιοσύνθεση λιπαρών οξέων Λιπίδια Αρχαίων σφιγγολιπίδια Mεταβολισµός ενέργειας, π.χ. ακετυλο-φωσφορικό Mεταβολισµός ενέργειας, π.χ. ATP α απεικόνιση δεσµού µε κυµατιστή γραµµή (~) υποδηλώνει ότι ο δεσµός είναι «υψηλής ενέργειας» (f Tµήµα.8).

5 .2 ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΩΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΙΑΛΥΤΗ 9 πρόσδεση των υποστρωμάτων στα ένζυμα. Συχνά, εξάλλου, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις είναι αυτές που διέπουν την επικοινωνία μεταξύ των διαφορετικών υπομονάδων μιας πολυμερούς πρωτεΐνης κατά τον σχηματισμό του βιολογικά ενεργού μορίου. Mοτίβα σύνδεσης στα βιοµόρια Κυριότερο συστατικό όλων των μακρομορίων είναι το στοιχείο του άνθρακα (). Ο άνθρακας μπορεί να συνδυάζεται όχι μόνο με άτομα άνθρακα αλλά και με άτομα πολλών άλλων στοιχείων, συνθέτοντας μεγάλες δομές σημαντικής ποικιλότητας και πολυπλοκότητας. Στις διάφορες οργανικές (ανθρακούχες) ενώσεις απαντούν με μεγάλη συχνότηταø συγκεκριμένοι χημικοί συνδυασμοί η γνώση των χημικών αυτών συνδυασμών θα διευκολύνει κατά πολύ την κατανόηση των θεμάτων μακρομοριακής δομής, κυτταρικής φυσιολογίας, και βιοσύνθεσης, που θα πραγματευθούμε αργότερα. Στον Πίνακα.1 αναφέρονται αρκετά από αυτά τα μοτίβα χημικών συνδέσεων, καθώς και τα μόρια ή μακρομόρια όπου αυτά εμφανίζονται συχνότερα. Κάθε ένα από τα εν λόγω μοτίβα, ή λειτουργικές ομάδες, όπως αποκαλούνται, έχει τις ιδιαίτερες χημικές του ιδιότητες που εξυπηρετούν συγκεκριμένους βιολογικούς ρόλους μέσα στο κύτταρο..1 Έλεγχος εννοιών Οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι ισχυροί δεσμοί που συνδέουν μεταξύ τους τα στοιχεία στα μακρομόρια. Ασθενείς δεσμοί, όπως οι δεσμοί υδρογόνου, οι δυνάμεις van der Waals, και οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις, επηρεάζουν επίσης τη δομή των μακρομορίων μέσω ηπιότερων ατομικών αλληλεπιδράσεων. Στα σημαντικότερα βιομόρια απαντά πολύ συχνά μια μεγάλη ποικιλία συγκεκριμένων λειτουργικών ομάδων. Οι ομάδες αυτές περιέχουν πάντοτε άτομα άνθρακα. Γιατί είναι οι ομοιοπολικοί δεσμοί ισχυρότεροι των δεσμών υδρογόνου; Πώς μπορεί ένας δεσμός υδρογόνου να επηρεάζει τη μακρομοριακή δομή;.2 Γενική θεώρηση των µακροµορίων και του νερού ως βιολογικού διαλύτη ΠΙΝΑΚΑΣ.2 Xηµική σύνθεση προκαρυωτικού κυττάρου α Mόριο Ποσοστό (%) Aριθµός µορίων ανά επί ξηρού κύτταρο (διαφορετικοί βάρους β τύποι) Σύνολο µακροµορίων (~200) Πρωτεΐνες (~180) Πολυσακχαρίτες.00 (2) γ Λιπίδια 9, () δ Λιποπολυσακχαρίτες, (1) DA,1 2,1 (1) RA 20, 2.00 (~660) Σύνολο µονοµερών,0 ε (~0) Αµινοξέα και 0, (~100) πρόδροµά τους Σάκχαρα και 2 (~0) πρόδροµά τους Νουκλεοτίδια και 0, (~200) πρόδροµά τους Ανόργανα ιόντα 1 (18) Σύνολο 100% α εδοµένα από eidhardt, F.., et al. (eds), Escherichia coli and Salmonella typhimurium-ellular and Molecular Biology, 2nd edition. American Society for Microbiology, Washington, D. β Ξηρό βάρος ενός ενεργά αυξανόµενου κυττάρου E. coli 2, g ολικό βάρος (70% νερό) = 9, 10-1 g. γ Ως κύριοι πολυσακχαρίτες θεωρούνται οι πεπτιδογλυκάνες και το γλυκογόνο. δ Υπάρχουν διάφοροι τύποι φωσφολιπιδίων κάθε τύπος απαντά σε πολλές µορφές λόγω διαφορών στη σύνθεση των λιπαρών οξέων, από είδος σε είδος, και λόγω διαφορών στις συνθήκες ανάπτυξης. ε έν υπάρχουν αξιόπιστες µετρήσεις για την ποσοστιαία σύσταση σε µονο- µερή και σε ανόργανα ιόντα. Ας θεωρήσουμε ότι πραγματοποιούμε βιοχημική ανάλυση σε ένα τυπικό προκαρυωτικό κύτταρο, όπως είναι π.χ. το κοινό εντεροβακτήριο Escherichia coli. Τι θα απέδιδε η ανάλυση αυτή; Θα αποκάλυπτε ότι βασικό συστατικό των κυττάρων είναι το μόριο του νερού και ότι, μετά την αφαίρεσή του, παραμένουν μεγάλες ποσότητες μακρομορίων, μικρότερες ποσότητες μονομερών (προδρόμων των μακρομορίων), και μια ποικιλία ανόργανων ιόντων (Πίνακας.2). Πράγματι, 96% του ξηρού βάρους των κυττάρων αποτελείται από μακρομόρια και, μάλιστα, κατά το μεγαλύτερο μέρος από πρωτεΐνες (Πίνακας.2). Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή των αμινοξέων. Πρωτεΐνες απαντούν σε όλες τις πιθανές θέσεις μέσα στο κύτταρο, έχοντας τόσο δομικούς όσο και καταλυτικούς (ενζυμικούς) ρόλους (Εικόνα.α). Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυμερή νουκλεοτιδίων και απαντούν σε δύο μορφές: RA και DA. Σε ένα ενεργά αυξανόμενο προκαρυωτικό κύτταρο, τα RA είναι η δεύτερη σε περιεκτικότητα ομάδα μακρομορίων, μετά τις πρωτεΐνες (Πίνακας.2 και Εικόνα.β). Aυτό συμβαίνει διότι σε κάθε κύτταρο υπάρχουν χιλιάδες ριβοσώματα («μηχανές» της πρωτεϊνοσύνθεσης), τα οποία συγκροτούνται από RA και πρωτεΐνες. Μικρότερες ποσότητες RA απαντούν με τη μορφή αγγελιοφόρου (mra) και μεταφορικού RA (tra), που είναι και αυτά σημαντικές συνιστώσες στη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης. Αντίθετα με το RA, το DA αντιπροσωπεύει σχετικά ασήμαντο ποσοστό της κατά βάρος σύστασης του βακτηριακού κυττάρου (Πίνακας.2). Το DA, βέβαια, ως μόριο αποθήκευσης της γενετικής πληροφορίας, είναι θεμελιώδες στην κυτταρική λειτουργία και αναπαραγωγή. Τα λιπίδια, με τις υδροφοβικές τους ιδιότητες, παίζουν ουσιώδη ρόλο στη δομή των μεμβρανών, αλλά και ως μοριακές αποθήκες των πλεονασμάτων άνθρακα (Ει-

6 0 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ κόνα.δ). Οι πολυσακχαρίτες είναι πολυμερή σακχάρων και απαντούν κατά κύριο λόγο στο κυτταρικό τοίχωμα. Όπως όμως συμβαίνει και με τα λιπίδια, ορισμένοι πολυσακχαρίτες (π.χ. το γλυκογόνο) είναι από τα σπουδαιότερα μόρια αποθήκευσης άνθρακα και ενέργειας για τα κύτταρα. MÂÌ Ú ÓË M ÛÙ ÁÈÔ TÔ ˆÌ K ÙÙ ÚfiappleÏ ÛÌ Tο νερό ως βιολογικός διαλύτης Τόσο τα μακρομόρια όσο και όλα τα άλλα μόρια των κυττάρων είναι «εμβαπτισμένα» σε νερό. Το νερό διαθέτει σημαντικές χημικές ιδιότητες που το καθιστούν ιδεώδη βιολογικό διαλύτη. υσιαστικά αποτελεί προϋπόθεση για την ύπαρξη ζωής όπως την εννοούμε στον σημερινό κόσμο. Οι βασικές ιδιότητες που καθιστούν το νερό ιδανικό διαλύτη είναι η πολικότητα και η συνεκτικότητα. Η πολικότητα είναι σημαντική διότι πολλά σημαντικά βιομόρια είναι και τα ίδια πολικά και διαλύονται εύκολα σε υδατικό διάλυμα. Όπως θα δούμε στο Κεφάλαιο, οι διαλυμένες ουσίες μετακινούνται συνεχώς από και προς το εσωτερικό και το εξωτερικό του κυττάρου, μέσω των μεταφορικών συστημάτων της κυτταροπλασματικής μεμβράνης (f Τμήματα.6 και.7). Επίσης, η πολικότητα του νερού ευνοεί τον σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Τα μόρια του νερού δημιουργούν τριδιάστατα δίκτυα, τόσο μεταξύ τους (Εικόνα.2α) όσο και μέσα στα μακρομόρια, βοηθώντας τα άτομα των βιομορίων να προσανατολισθούν κατάλληλα για ενδεχόμενες αλληλεπιδράσεις. Η υψηλή πολικότητα του νερού έχει και ένα πρόσθετο όφελος για το κύτταρο: αναγκάζει τις μη πολικές (υδρόφοβες) ουσίες να συσσωματώνονται και να παραμένουν σε επαφή μεταξύ τους. Eπί παραδείγματι, οι μεμβράνες που περιέχουν μεγάλες ποσότητες μη πολικών μακρομορίων, όπως λιπιδίων, τείνουν να οργανώνονται με τέτοιο τρόπο ώστε να εμποδίζουν την ελεύθερη ροή των πολικών μορίων προς το εσωτερικό ή εξωτερικό του κυττάρου. Εκτός από τη συνεισφορά της στους δεσμούς υδρογόνου, η πολική φύση του νερού το καθιστά ιδιαίτερα συνεκτικό, δηλ. τα μόριά του παρουσιάζουν υψηλή συγγένεια πρόσδεσης το ένα προς το άλλο και δημιουργούν εύτακτες χημικές διευθετήσεις στις οποίες δεσμοί υδρογόνου (Εικόνα.2) σχηματίζονται, διασπώνται, και ανασχηματίζονται συνεχώς. Η συνεκτικότητα ευθύνεται για πολλές βιολογικά σημαντικές ιδιότητες του νερού, όπως είναι η υψηλή επιφανειακή τάση και η υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα (θερμότητα που απαιτείται για την ανύψωση της θερμοκρασίας κατά 1 ). Το γεγονός, επίσης, ότι το νερό διογκώνεται κατά την πήξη του και γίνεται αραιότερο (πάγος) επηρεάζει βαθιά τα διάφορα είδη ζωής στα εύκρατα και στα πολικά περιβάλλοντα. Σε μια λίμνη, για παράδειγμα, ένα επιφανειακό στρώμα πάγου που μονώνει θερμικά το υποκείμενο νερό και εμποδίζει την πήξη του, αρκεί για να ( ) ÚˆÙ Ó ( ) Ô ÎÏ ΠÔÍ (Á) ÔÏ Û Î Ú Ù ( ) Èapple È ÚËÓÔÂÈ PÈ ÔÛÒÌ Ù AappleÔıËΠÙÈÎ ÎÔÎÎ Εικόνα. Θέσεις των µακροµορίων µέσα στο κύτταρο. (α) Πρωτεΐνες (καφέ χρώµα) απαντούν σε όλη την έκταση του κυττάρου, είτε ως µέρη κυτταρικών δοµών είτε ως ένζυµα. (β) Νουκλεϊκά οξέα. DA (πράσινο χρώµα) απαντά στο πυρηνοειδές των προκαρυωτικών κυττάρων και στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. RA (πορτοκαλί χρώµα) απαντά στο κυτταρόπλασµα (mra, tra) και στα ριβοσώµατα (rra). (γ) Πολυσακχαρίτες (κίτρινο χρώµα) υπάρχουν στο κυτταρικό τοίχωµα και, ενίοτε, σε εσωτερικά αποθηκευτικά κοκκία. (δ) Λιπίδια (κυανό χρώµα) απαντούν στην κυτταροπλασµατική µεµβράνη, στο κυτταρικό τοίχωµα, και σε αποθηκευτικά κοκκία. Ο χρωµατικός κώδικας που χρησιµοποιείται εδώ θα εφαρµοσθεί, για την απεικόνιση των τύπων µακροµορίων, σε όλο το βιβλίο. Για το DA, βλ. επίσης τη λεζάντα της Εικόνας.11. επιτρέψει την επιβίωση των υδρόβιων οργανισμών σε πολικές συνθήκες. Η ζωή προήλθε από υδατικά περιβάλλοντα, και οπουδήποτε στη Γη υπάρχει νερό σε υγρή μορφή είναι πιθανόν να βρεθούν εκεί και μικροοργανισμοί (ορισμένα εντυπωσιακά παραδείγματα τέτοιου είδους θα αναφερθούν στο Τμήμα 6.10 και στο Κεφάλαιο 1). Aς στραφούμε τώρα στη θεώρηση της δομής των κυριότερων βιολογικών μακρομορίων (Πίνακας.2).

7 . ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ 1.2 Έλεγχος εννοιών Η κατηγορία μακρομορίων που υπάρχει σε μεγαλύτερη αφθονία μέσα στο κύτταρο είναι οι πρωτεΐνες. Τα άλλα μακρομόρια είναι νουκλεϊκά οξέα (DA και RA), λιπίδια, πολυσακχαρίτες, και λιποπολυσακχαρίτες. Το νερό είναι ιδιαίτερα κατάλληλος διαλύτης για τα έμβια όντα, λόγω της πολικότητας και της συνεκτικότητάς του. II Γιατί αποτελεί το RA τόσο μεγάλο ποσοστό ενός ενεργά αυξανόμενου κυττάρου; Με ποιον τρόπο καθιστά η υψηλή πολικότητα το νερό χρήσιμο ως βιολογικό διαλύτη; ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Ας αναλύσουμε τώρα τα μακρομόρια που παρατίθενται στον Πίνακα.2 και ας εξετάσουμε τα συστατικά τους. Î ÚÔ AÓÔÈÎÙ Ï Û ÎÙ ÏÈÔ PfiÏÔ ÂÓÙfi  PÈ fi Ë ÂÔÍ ÚÈ fi Ë EÍfi Â Ï Îfi Ë ºÚÔ ÎÙfi Ë ÔÌÈÎfi ÛÎÂÏÂÙfi RA ÔÌÈÎfi ÛÎÂÏÂÙfi DA ËÁ ÂÓ ÚÁÂÈ, Î ÙÙ ÚÈÎ ÙÔÈ ÒÌ Ù ËÁ ÂÓ ÚÁÂÈ, Û Î ÚÔ ÊÚÔ ÙˆÓ Εικόνα. Συντακτικοί τύποι ορισµένων κοινών σακχάρων. Τα σάκχαρα αναπαρίστανται µε δύο εναλλακτικούς τρόπους: ανοικτής αλυσίδας και δακτυλίου. Η µορφή της ανοικτής αλυσίδας είναι περισσότερο ευανάγνωστη, αλλά συνηθέστερα χρησιµοποιείται η µορφή του δακτυλίου. Σηµειώστε τον τρόπο αρίθµησης των θέσεων του δακτυλίου.. Πολυσακχαρίτες Οι υδατάνθρακες (σάκχαρα) είναι οργανικές ενώσεις που περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο, και οξυγόνο σε αναλογία 1:2:1. Ο χημικός τύπος της γλυκόζης, του πιο κοινού από όλα τα σάκχαρα, είναι (Εικόνα.). Μεγαλύτερο βιολογικό ενδιαφέρον έχουν οι υδατάνθρακες με,, 6, και 7 άτομα άνθρακα (δηλ.,, 6, και 7 ). Από αυτούς, τα σάκχαρα (πεντόζες) έχουν ιδιαίτερη σημασία ως μονομερή των νουκλεϊκών οξέων, ενώ τα σάκχαρα 6 (εξόζες) είναι μονομερή των πολυσακχαριτών του κυτταρικού τοιχώματος και αυτών που χρησιμεύουν ως αποθέματα ενέργειας. Στην Εικόνα. παρουσιάζονται οι συντακτικοί τύποι ορισμένων κοινών σακχάρων. Παράγωγα των απλών υδατανθράκων μπορούν να σχηματισθούν με αντικατάσταση μίας ή περισσότερων υδροξυλομάδων από άλλες χημικές ομάδες. Η πεπτιδογλυκάνη, για παράδειγμα, ένα σημαντικό πολυμερές του βακτηριακού κυτταρικού τοιχώματος (f Τμήμα.8), περιέχει το μονομερές Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη, που είναι παράγωγο της γλυκόζης (Εικόνα.). Εκτός από την ύπαρξη παραγώγων, σάκχαρα με τον ίδιο συντακτικό τύπο μπορεί να διαφέρουν ως προς τις στερεοχημικές τους ιδιότητες (βλ. Τμήμα.6). Κατά συνέπεια, αυξάνεται σημαντικά ο αριθμός διαφορετικών σακχάρων που είναι δυνητικά διαθέσιμος στο κύτταρο για τον σχηματισμό πολυσακχαριτών. γλυκοζιτικός δεσµός Οι πολυσακχαρίτες είναι υδατάνθρακες που περιέχουν πολλές (συχνά εκατοντάδες ή και χιλιάδες) μονομερείς μονάδες συνδεδεμένες με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι καλούνται γλυκοζιτικοί δεσμοί (Εικόνα.6). Όταν δύο σάκχαρα (μονοσακχαρίτες) ενώνονται με γλυκοζιτικό δεσμό, προκύπτει ένας δισακχαρίτης. Η προσθήκη ενός ακόμη μονοσακχαρίτη δίνει ένα μόριο τρισακχαρίτη, η προσθήκη μερικών ακόμη μονομερών δίνει ολιγοσακχαρίτη, ενώ με την προσθήκη μιας εκτεταμένης σειράς μονομερών έχουμε έναν πολυσακχαρίτη Εικόνα. AÎÂÙ ÏÔÌ 6 2 TÔ ÙÔÌÔ ÓÙÈÎ ıèûù Ó ÙÔÌÔ ÙÔ Û Î ÚÔ 1 2 Ν-ακετυλογλυκοζαµίνη, ένα παράγωγο σακχάρου. MEDIA TUTRIAL Macromolecules

8 2 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ÕÌ ÏÔ ,- Ï ÎÔ ÈÙÈÎfi ÂÛÌfi ,6- Ï ÎÔ ÈÙÈÎfi ÂÛÌfi ,- Ï ÎÔ ÈÙÈÎfi ÂÛÌfi ( ) ÂÛÌÔ -1, ÂÛÌÔ -1,6 Ο γλυκοζιτικός δεσμός μπορεί να υιοθετήσει δύο γεωμετρικά διαφορετικούς προσανατολισμούς, αναφερόμενους ως α- και β- (Εικόνα.6α). Πολυσακχαρίτες που δομούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες γλυκόζης συνδεόμενες μεταξύ τους στους άνθρακες 1 και, σε προσανατολισμό α- (π.χ. γλυκογόνο ή άμυλοø Εικόνα.6β), λειτουργούν ως σημαντικά αποθέματα άνθρακα και ενέργειας σε βακτήρια, φυτά, και ζώα. Από την άλλη πλευρά, δομές μονάδων γλυκόζης που συνδέονται με δεσμούς β-1, εμφανίζονται στην κυτταρίνη (Εικόνα.6β), ένα άκαμπτο συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος σε φυτά και φύκη. Κατά συνέπεια, κυτταρίνη και άμυλο, αν και αποτελούνται αποκλειστικά από μονομερή γλυκόζης, διαφέρουν εντελώς ως προς τις λειτουργικές τους ιδιότητες λόγω των διαφορετικών στερεοαπεικονίσεων των γλυκοζιτικών δεσμών τους (α- ή β-). Οι πολυσακχαρίτες μπορεί επίσης να συνδυάζονται με άλλες τάξεις μακρομορίων, π.χ. πρωτεΐνες ή λιπίδια, και να σχηματίζουν σύνθετους πολυσακχαρίτες, όπως γλυκοπρωτεΐνες ή γλυκολιπίδια. Αυτές οι ενώσεις παίζουν σπουδαίο ρόλο στις κυτταρικές μεμβράνες ως μόρια-υποδοχείς της κυτταρικής επιφάνειας, που έρχονται σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον. Τα γλυκολιπίδια, εξάλλου, συνιστούν μεγάλο τμήμα του κυτταρικού τοιχώματος των αρνητικών κατά Gram βακτηρίων και προσδίδουν σε αυτά πολλές από τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες (Τμήμα.9).. Έλεγχος εννοιών Τα σάκχαρα συνδυάζονται μεταξύ τους και σχηματίζουν μεγάλα πολυμερή που λέγονται πολυσακχαρίτες. Οι δύο διαφορετικοί προσανατολισμοί που μπορεί να έχουν οι γλυκοζιτικοί δεσμοί (α- ή β-), προσδίδουν στους προκύπτοντες πολυσακχαρίτες διαφορετικές ιδιότητες. Οι πολυσακχαρίτες μπορεί να συνδέονται επίσης με άλλα μόρια, όπως πρωτεΐνες ή λιπίδια, δίνοντας σύνθετους πολυσακχαρίτες. Πώς είναι δυνατόν το γλυκογόνο και η κυτταρίνη να διαφέρουν τόσο πολύ στις φυσικές τους ιδιότητες, ενώ συνίστανται και τα δύο κατά 100% από γλυκόζη; Ï ÎÔÁfiÓÔ ÂÛÌÔ -1, K ÙÙ Ú ÓË ( ) ÂÛÌÔ -1, Εικόνα.6 Πολυσακχαρίτες. (α) οµές διαφόρων γλυκοζιτικών δεσµών. Σηµειώστε ότι µπορεί να ποικίλλουν τόσο η σύνδεση όσο και η γεωµετρία (αή β-) του δεσµού. (β) οµές ορισµένων κοινών πολυσακχαριτών. Συγκρίνετε τον χρωµατικό κώδικα µε το (α).. Λιπίδια Τα λιπαρά οξέα αποτελούν τα κύρια συστατικά των λιπιδίων σε Βακτήρια και Ευκάρυα. Αντίθετα, στα Αρχαία, τα λιπίδια δομούνται κυρίως από το υδρόφοβο μόριο φυτάνη (f Τμήμα.). Τα λιπαρά οξέα έχουν ενδιαφέρουσες χημικές ιδιότητες, διότι περιέχουν τόσο υδρόφοβες όσο και υδρόφιλες περιοχές. Το παλμιτικό, για παράδειγμα (Εικόνα.7), είναι ένα λιπαρό οξύ 16 ατόμων άνθρακα που αποτελείται από αλυσίδα 1 κορεσμένων (πλήρως υδρογονωμένων) ατόμων άνθρακα και μίας καρβοξυλικής ομάδας. Άλλα κοινά λιπαρά

9 . ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ KÔÈÓ ÏÈapple Ú ÔÍ : Èapple Ú ÔÍ Û Ó Â ÂÌ Ó Ì ÁÏ ÎÂÚfiÏË Ì Ûˆ ÂÛÙÂÚÈÎÔ ÂÛÌÔ ÓıÂÙÔ ÏÈapple ÈÔ: MÔÓÔÁ Ï ÎÙÔ ÏÔ ÈÁÏ ÎÂÚ ÈÔ ( Ó ÁÏ ÎÔÏÈapple ÈÔ) AappleÏ ÏÈapple È (ÙÚÈÁÏ ÎÂÚ È ): KÔÚÂÛÌ ÓÔ 16 (apple ÏÌÈÙÈÎfi) MÔÓÔ ÎfiÚÂÛÙÔ 16 (apple ÏÌÈÙÂÏ Îfi) ÓıÂÙÔ ÏÈapple ÈÔ: ºˆÛÊ ÙÈ ÏÔ Èı ÓÔÏ Ì ÓË ( Ó ÊˆÛÊÔÏÈapple ÈÔ) 10 9 AÈı ÓÔÏ Ì ÓË Ï ÎÙfi Ë οξέα που απαντούν στα λιπίδια είναι κορεσμένες και μονοακόρεστες αλυσίδες 1 έως 20 ατόμων άνθρακα (Εικόνα.7). Tριγλυκερίδια και σύνθετα λιπίδια Τα απλά λιπίδια (λίπη) συγκροτούνται από λιπαρά οξέα συνδεδεμένα με την αλκοόλη γλυκερόλη (Εικόνα.7). 8 7 Èapple Ú ÔÍ Èapple Ú ÔÍ Èapple Ú ÔÍ 6 ºˆÛÊÔÚÈÎfi Ï ÎÂÚfiÏË EÛÙÂÚÈÎfi ÂÛÌfi P Εικόνα.7 Λιπαρά οξέα, απλά λιπίδια (λίπη), και σύνθετα λιπίδια. Απλά λιπίδια σχηµατίζονται µε µια αντίδραση αφυδάτωσης µεταξύ λιπαρών οξέων και γλυκερόλης, η οποία δηµιουργεί εστερικό δεσµό. Τα απλά λιπίδια αναφέρονται επίσης ως τριγλυκερίδια, διότι έχουν τρεις ομάδες λιπαρού οξέος συνδεδεμένες με το μόριο της γλυκερόλης. Τα σύνθετα λιπίδια είναι απλά λιπίδια που περιέχουν είτε πρόσθετα στοιχεία, όπως φωσφόρο, άζωτο, ή θείο, είτε μικρές υδρόφιλες ενώσεις του άνθρακα, όπως σάκχαρα, αιθανολαμίνη (Εικόνα.7), σερίνη, ή χολίνη. Τα λιπίδια που περιέχουν τη φωσφορική ομάδα, δηλ. τα φωσφολιπίδια, αποτελούν σημαντική κατηγορία σύνθετων λιπιδίων, αφού διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη δομή της κυτταροπλασματικής μεμβράνης (f Τμήμα.). Οι χημικές ιδιότητες των λιπιδίων τα καθιστούν ιδεώδη δομικά συστατικά των μεμβρανών. Επειδή είναι αμφιπαθικά, δηλ. παρουσιάζουν τόσο υδρόφοβες όσο και υδρόφιλες ιδιότητες, συσσωρεύονται στις μεμβράνες με τις υδρόφιλες περιοχές τους στραμμένες προς το εξωτερικό ή προς το εσωτερικό (κυτταροπλασματικό) περιβάλλον, ενώ συγχρόνως διατηρούν τις υδρόφοβες περιοχές τους εκτός του υδατικού μέσου (f Τμήμα.). Τέτοιες δομές είναι ιδανικοί φραγμοί διαπερατότητας λόγω της αδυναμίας των υδροδιαλυτών ουσιών να ρέουν μέσω του υδρόφοβου τμήματος των λιπιδίων. Πράγματι, κύριος ρόλος της κυτταροπλασματικής μεμβράνης είναι να λειτουργεί ως φραγμός έναντι της ελεύθερης διάχυσης ουσιών προς την εσωτερική ή την εξωτερική πλευρά του κυττάρου.. Έλεγχος εννοιών Τα λίπη περιέχουν τόσο υδρόφοβα όσο και υδρόφιλα συστατικά. Οι χημικές τους ιδιότητες τα καθιστούν ιδεώδη δομικά συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών. Ποιο μέρος ενός μορίου λιπαρού οξέος είναι υδρόφοβο και ποιο υδρόφιλο; Σε τι διαφέρει ένα φωσφολιπίδιο από ένα τριγλυκερίδιο; Σχεδιάστε τη χημική δομή του βουτυρικού οξέος, ενός πλήρως κορεσμένου λιπαρού οξέος ατόμων άνθρακα ( ).. ουκλεϊκά οξέα Τα νουκλεϊκά οξέα, δηλ. το δεοξυριβονουκλεϊκό (DA) και το ριβονουκλεϊκό (RA), είναι μακρομόρια τα οποία συγκροτούνται από μονομερή που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Πρόκειται, επομένως, για πολυνουκλεοτίδια. Το DA φέρει το γενετικό προσχέδιο του κυττάρου και το RA ενεργεί ως ενδιάμεσο για τη μετατροπή του προσχεδίου αυτού σε καθορισμένες αλληλουχίες αμινοξέων που δομούν τις πρωτεΐνες. Ένα νουκλεοτίδιο συντίθεται από τρεις μονάδες: ένα σάκχαρο ατόμων άνθρακα, δηλ. μια ριβόζη (στο RA) ή μια

10 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ºˆÛÊÔÚÈÎfi P ã 2 ã ã 1ã 2ã δεοξυριβόζη (στο DA), μία αζωτούχο βάση, και μία φωσφορική ομάδα, P. Η γενική δομή των νουκλεοτιδίων του DA και του RA παρουσιάζεται στην Εικόνα.8. ουκλεοτίδια Οι αζωτούχες βάσεις των νουκλεϊκών οξέων ανήκουν είτε στην κατηγορία των πουρινών είτε σε αυτή των πυριμιδινών. Οι πουρίνες, αδενίνη και γουανίνη, έχουν δύο συμπυκνωμένους ετεροκυκλικούς (περιέχουν πάνω από B ÛË PÈ fi Ë Εικόνα.8 Νουκλεοτίδια. Εδώ απεικονίζεται ένα ριβονουκλεοτίδιο, που απαντά στο RA. Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια, που απαντούν στο DA, έχουν στον άνθρακα 2 ένα άτοµο αντί της οµάδας. Η αρίθµηση των θέσεων του σακχάρου γίνεται µε τονούµενους αριθµούς για να διακρίνεται από την αρίθµηση των θέσεων του δακτυλίου της αζωτούχου βάσης, οι οποίες επίσης αριθµούνται (1, 2,, κ.λπ.) (βλ. Εικόνα.9). Τόσο τα δεοξυριβονουκλεοτίδια όσο και τα ριβονουκλεοτίδια περιέχουν µια -φωσφορική οµάδα. B ÛÂÈ apple ÚÈÌÈ ÓË 2 K ÙÔÛ ÓË () DA RA Ì ÓË (T) MfiÓÔ DA A ÂÓ ÓË (A) B ÛÂÈ appleô Ú ÓË DA RA Ô Ó ÓË (G) 2 Εικόνα.9 οµές των βάσεων του DA και του RA. εν παρατίθεται στην εικόνα η ουρακίλη (U), της οποίας η δοµή είναι όµοια µε της θυµίνης µε τη µόνη διαφορά ότι στερείται της µεθυλοµάδας στον -. Παρατηρήστε το σύστηµα αρίθµησης των δακτυλίων. Κατά την ένωση τους µε τον άνθρακα 1 του φωσφοσακχάρου για τον σχηµατισµό νουκλεοτιδίου (Εικόνα.8), οι βάσεις πυριµιδίνης συνδέονται µέσω του -1 του δακτυλίου και οι βάσεις πουρίνης µέσω του -9. ένα είδος ατόμων) δακτυλίους, ενώ οι πυριμιδίνες, θυμίνη, κυτοσίνη, και ουρακίλη, έχουν έναν μόνο εξαμελή ετεροκυκλικό δακτύλιο (Εικόνα.9). Η γουανίνη, η αδενίνη, και η κυτοσίνη απαντούν τόσο στο DA όσο και στο RA. Η θυμίνη απαντά (με ελάχιστες εξαιρέσεις) μόνο στο DA, ενώ η ουρακίλη μόνο στο RA. Σε ένα νουκλεοτίδιο, η αζωτούχος βάση συνδέεται με ένα σάκχαρο (πεντόζη) μέσω γλυκοζιτικού δεσμού μεταξύ του ατόμου -1 του σακχάρου και ενός ατόμου της βάσης, που βρίσκεται στη θέση 1 (όταν πρόκειται για πυριμιδίνη) ή στη θέση 9 (όταν πρόκειται για πουρίνη). Αν δεν έχει φωσφορική ομάδα, το μόριο που αποτελείται από μία αζωτούχο βάση συνδεδεμένη με σάκχαρο αναφέρεται ως νουκλεοζίτης. Τα νουκλεοτίδια, επομένως, είναι νουκλεοζίτες που περιέχουν επιπλέον μία ή περισσότερες ομάδες φωσφορικών (Εικόνα.10). Εκτός από τον βασικό ρόλο τους ως συστατικών των νουκλεϊκών οξέων, τα νουκλεοτίδια επιτελούν και άλλες λειτουργίες στο κύτταρο. Λειτουργούν, ιδίως το ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη) (Εικόνα.10), ως πη- 2 ºˆÛÊÔ- Ó Ú ÙË PÈ fi Ë 2 ºˆÛÊÔÚÈÎfi ÂÛÙ Ú + P~ P~ P A ÂÓ ÓË Ï ÎÔ ÈÙÈÎfi ÂÛÌfi A ÂÓÔÛ ÓË ( Ó ÓÔ ÎÏÂÔ ÙË ) 2 P TÚÈʈÛÊÔÚÈÎ ÂÓÔÛ ÓË ( Ó ÓÔ ÎÏÂÔÙ ÈÔ) Eικόνα.10 Συστατικά ενός σηµαντικού νουκλεοτιδίου, της τριφωσφορικής αδενοσίνης. Η ενέργεια υδρόλυσης του φωσφοανυδριτικού δεσµού (κυµατιστές παύλες) είναι µεγαλύτερη από αυτήν του φωσφορικού εστέρα, γεγονός που η σηµασία του θα γίνει αντιληπτή στο Κεφάλαιο (f Tµήµα.8).

11 . ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ γές χημικής ενέργειας που κατά τη διάσπαση ενός φωσφορικού δεσμού τους απελευθερώνουν επαρκείς ποσότητες ενέργειας για να προωθήσουν ενδόεργες αντιδράσεις του κυττάρου (f Τμήμα.8). Άλλα νουκλεοτίδια ή παράγωγα νουκλεοτιδίων λειτουργούν σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις (f Τμήμα.7) ως φορείς σακχάρων κατά τη βιοσύνθεση πολυσακχαριτών (f Τμήμα.1) ή ως ρυθμιστικά μόρια που αναστέλλουν ή ενεργοποιούν συγκεκριμένα ένζυμα ή μεταβολικές διεργασίες. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται αποκλειστικά ο ρόλος των νουκλεοτιδίων ως δομικών συστατικών των νουκλεϊκών οξέων, δηλ. εξετάζεται η κύρια πληροφοριακή λειτουργία τους. ουκλεϊκά οξέα Ραχοκοκκαλιά του νουκλεϊκού οξέος είναι ένα πολυμερές όπου εναλλάσσονται μόρια σακχάρου και φωσφορικών (Εικόνα.11). Τα πολυνουκλεοτίδια περιέχουν νουκλεοτίδια ομοιοπολικώς συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω φωσφορικών ομάδων που συνδέουν τον άνθρακα στη θέση του ενός σακχάρου (αναφέρεται ως ) με τον άνθρακα στη θέση ( ) του αμέσως επόμενου σακχάρου (Εικόνα.11α). Η φωσφορική αυτή σύνδεση αποτελεί από χημική άποψη έναν φωσφοδιεστέρα, αφού μία ομάδα φωσφορικού συνδέεται μέσω εστερικών δεσμών με δύο διαφορετικά σάκχαρα ταυτοχρόνως. Η αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο DA ή RA αναφέρεται ως πρωτοταγής δομή του μορίου αυτού. Όπως έχουμε αναλύσει, η ακολουθία των βάσεων σε ένα μόριο DA ή RA είναι πληροφοριακή, αντιπροσωπεύει δηλ. τη γενετική πληροφορία που είναι απαραίτητη για να αναπαραχθεί ένα πανομοιότυπο αντίτυπο του οργανισμού. Όπως θα αναφερθεί παρακάτω (f Κεφάλαιο 7), η αντιγραφή του DA και η παραγωγή RA είναι ιδιαίτερα πολύπλοκες διεργασίες και απαιτείται ένας σχεδόν αλάνθαστος μηχανισμός ÂÔÍ ÚÈ fi Ë ÛË ã ÛË ã ã 2 ã ã P 2 2ã B ÛË 1ã ºˆÛÊÔÚÈÎfi B ÛË A ˆÙÔ Ô ÛË Û Ó Â ÂÌ ÓË ÛÙË ı ÛË 1ã ã A G T ã ( ) T T A G A A T G ã G ã ÂÛÌÔ ÚÔÁfiÓÔ ºˆÛÊÔ ÈÂÛÙÂÚÈÎfi ÂÛÌfi P 2 B ÛË P ã ã (i) A G U G A A U G ã ã (ii) G A A G U G G ÂÚÈÔ Û Â ÍË Û ÌappleÏËÚˆÌ ÙÈÎÒÓ ÛÂˆÓ A A G G U G ' ' G ÚˆÙÔÙ Á ÔÌ Â ÙÂÚÔÙ Á ÔÌ ( ) (Á) Εικόνα.11 DA και RA. (α) οµή µέρους µιας αλυσίδας DA. Οι αζωτούχες βάσεις µπορεί να είναι αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, ή θυµίνη. Στο RA, υπάρχει µια οµάδα στον άνθρακα 2 της πεντόζης (βλ. Εικόνα.8), και ουρακίλη αντί της θυµίνης. (β) Απλουστευµένο σχήµα της δοµής του DA, όπου απεικονίζονται µόνον οι αζωτούχες βάσεις. Παρατηρήστε ότι οι δύο αλυσίδες (κλώνοι DA) είναι συµπληρωµατικές ως προς την ακολουθία βάσεων (A=T, G ) και συνδέονται µε δεσµούς υδρογόνου που σχηµατίζονται µεταξύ αυτών των βάσεων. Οι δύο κλώνοι DA απεικονίζονται µε πράσινο χρώµα σε δύο διαφορετικούς τόνους σκίασης, χρωµατική σύµβαση που εφαρµόζεται σε όλο το βιβλίο. (γ) RA: (i) πρωτοταγής δοµή, (ii) πρωτοταγής και δευτεροταγής δοµή. Στο RA σχηµατίζονται δευτεροταγείς δοµές όταν παρουσιάζονται δυνατότητες για ενδοµοριακή ζεύξη βάσεων, δηλ. για ζεύξη βάσεων της ίδιας αλυσίδας. Σε ορισµένα πολύ µεγάλα µόρια RA, όπως π.χ. στο ριβοσωµατικό RA (f Τµήµατα 7.1 και 11.), άλλες περιοχές του µορίου έχουν µόνο πρωτοταγή δοµή και άλλες τόσο πρωτοταγή όσο και δευτεροταγή δοµή. Αυτό οδηγεί σε µόρια µε τελικό τριδιάστατο σχήµα που είναι καθοριστικό για τη λειτουργία τους και εµπεριέχει εκτενείς περιελίξεις ή συσπειρώσεις (f Εικόνα 11.8γ). Το RA απεικονίζεται µε πορτοκαλί χρώµα, χρωµατική σύµβαση που διατηρείται σε όλο το βιβλίο.

12 6 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ για να διασφαλισθεί η αξιόπιστη μεταβίβαση των γενετικών χαρακτήρων από γενεά σε γενεά. DA Στα κύτταρα, το DA απαντά σε δίκλωνη μορφή. Κάθε χρωμόσωμα περιέχει δύο κλώνους DA, καθένας από τους οποίους αποτελείται από αρκετά εκατομμύρια νουκλεοτιδίων συνδεδεμένων με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Οι δύο κλώνοι προσδένονται ο ένας στον άλλο με δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ των νουκλεοτιδίων του ενός και των νουκλεοτιδίων του άλλου κλώνου. Δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ πουρινών και πυριμιδινών (βλ. Εικόνα.2γ). Σταθερότερη σύνδεση δημιουργείται όταν σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ γουανίνης (G) και κυτοσίνης () ή μεταξύ αδενίνης (A) και θυμίνης (T) (βλ. Εικόνα.2γ). Εξειδικευμένη ζεύξη των βάσεων, A με T και G με, σημαίνει ότι οι δύο κλώνοι του DA είναι συμπληρωματικοί ως προς την ακολουθία βάσεων. Όταν στον έναν κλώνο υπάρχει G στον άλλο κλώνο θα υπάρχει, και όταν στον έναν υπάρχει T στον άλλο θα υπάρχει A (Εικόνα.11β). RA Εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων, όλα τα ριβονουκλεϊκά οξέα είναι μονόκλωνα μόρια. Ωστόσο, τα μόρια RA συνήθως αναδιπλώνονται σε περιοχές όπου μπορεί να δημιουργηθεί ζεύξη βάσεων και σχηματίζουν αναδιπλωμένες δομές. Αυτό το μοτίβο αναδίπλωσης που παρατηρείται στο RA αναφέρεται ως δευτεροταγής δομή του (Εικόνα.11γ). Το RA έχει τρεις βασικές λειτουργίες μέσα στο κύτταρο. Το αγγελιοφόρο RA (messenger RA, mra) φέρει τη γενετική πληροφορία του DA ως μονόκλωνο μόριο συμπληρωματικό σε αλληλουχία βάσεων προς ένα τμήμα της αλληλουχίας του DA. Τα μόρια του μεταφορικού RA (transfer RA, tra) λειτουργούν στην πρωτεϊνοσύνθεση ως μόρια-προσαρμοστές, προσαρμόζουν δηλ. τη γενετική πληροφορία από τη γλώσσα των νουκλεοτιδίων στη γλώσσα των αμινοξέων, των δομικών μονάδων των πρωτεϊνών. Τα ριβοσωματικά RA (ribosomal RA, rra), των οποίων γνωρίζουμε πολλά διαφορετικά είδη, είναι σημαντικά δομικά και καταλυτικά συστατικά του ριβοσώματος, του πρωτεϊνοσυνθετικού συστήματος του κυττάρου. Όλοι οι παραπάνω τύποι μορίων RA εξετάζονται λεπτομερώς στα Κεφάλαια 7 και 11.. Έλεγχος εννοιών Το πληροφορικό περιεχόμενο ενός νουκλεϊκού οξέος καθορίζεται από την ακολουθία των αζωτούχων βάσεων κατά μήκος της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας. Τόσο το RA όσο και το DA είναι πληροφορικά μακρομόρια. Το RA μπορεί να αναδιπλωθεί σε διάφορες διαμορφώσεις, αποκτώντας δευτεροταγή δομή. Τι είναι ένα νουκλεοτίδιο; Σε τι διαφέρει ένας νουκλεοζίτης από ένα νουκλεοτίδιο; Πώς διακρίνεται η πρωτοταγής από τη δευτεροταγή δομή του RA;.6 Tα αµινοξέα και ο πεπτιδικός δεσµός Τα αμινοξέα είναι οι μονομερείς μονάδες των πρωτεϊνών. Τα περισσότερα αμινοξέα περιέχουν μόνο άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, και άζωτο, αλλά δύο από τα 21 κοινά αμινοξέα που απαντούν στα κύτταρα περιέχουν επίσης θείο και ένα περιέχει σελήνιο. Όλα τα αμινοξέα έχουν δύο σημαντικές λειτουργικές ομάδες, μία καρβοξυλική ομάδα ( ) και μία αμινομάδα ( 2 ) (Πίνακας.1 και Εικόνα.12). Αυτές οι ομάδες είναι σημαντικές, διότι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ της καρβοξυλομάδας του ενός αμινοξέος και του αζώτου της αμινομάδας ενός άλλου αμινοξέος (που δημιουργούνται με απόσπαση ενός μορίου νερού) σχηματίζουν τον πεπτιδικό δεσμό, τον τύπο ομοιοπολικού δεσμού που χαρακτηρίζει τις πρωτεΐνες (Εικόνα.1). Όλα τα αμινοξέα έχουν τη γενική δομή που παρουσιάζεται στην Εικόνα.12. Διαφέρουν, όμως, ως προς τη φύση της πλευρικής ομάδας τους (ομάδας RØ Εικόνα.12) που είναι προσδεδεμένη στον α-άνθρακα. Ο α-άνθρακας είναι το άτομο άνθρακα που γειτνιάζει άμεσα προς την καρβοξυλική ομάδα. Οι πλευρικές αλυσίδες μπορεί να είναι από ένα απλό άτομο υδρογόνου (στην περίπτωση της γλυκίνης) έως και δομές αρωματικών δακτυλίων (σε αμινοξέα όπως η φαινυλαλανίνη) (Εικόνα.12). Οι χημικές ιδιότητες των αμινοξέων διέπονται σε μεγάλο βαθμό από τη φύση της πλευρικής τους αλυσίδας, επιτρέποντας ομαδοποίηση αμινοξέων με παρόμοιες χημικές ιδιότητες σε διακριτές «οικογένειες» αμινοξέων, όπως φαίνεται στην Εικόνα.12. Η πλευρική αλυσίδα, για παράδειγμα, μπορεί να περιέχει και αυτή καρβοξυλική ομάδα, όπως στο ασπαρτικό οξύ ή στο γλουταμικό οξύ, προσδίδοντας στο αμινοξύ ιδιότητες οξέος. Άλλα αμινοξέα, που περιέχουν υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες, κατατάσσονται στην ίδια ομάδα ως μη πολικά αμινοξέα. Η κυστεΐνη περιέχει μια σουλφυδρυλική ομάδα ( S), μέσω της οποίας δύο αλυσίδες αμινοξέων είναι δυνατόν να συνδεθούν με δισουλφιδική γέφυρα (R S S R). Συνοψίζοντας, η χημική ποικιλομορφία των αμινοξέων επιτρέπει στα κύτταρα να παράγουν εξαιρετικά μεγάλο αριθμό πρωτεϊνών με πολύ διαφορετικές βιοχημικές ιδιότητες. Iσοµερή Δύο μόρια μπορεί να έχουν τον ίδιο μοριακό τύπο αλλά διαφορετικές δομές. Αυτά τα χημικώς συγγενή αλλά

13 .6 ΤΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ ΚΑΙ Ο ΠΕΠΤΙ ΙΚΟΣ ΕΣΜΟΣ 7 ÂÓÈÎ ÔÌ ÂÓfi ÌÈÓÔÍ Ô α- ÓıÚ Î R 2 R 1 + R 2 2 K Ú ÔÍ ÏÔÌ AÌÈÓÔÌ 2 ÔÌ ÙˆÓ ÌÈÓÔÍÈÎÒÓ ÔÌ ˆÓ S 2 Se 2 S Gly Ï Î ÓË (G) Ala AÏ Ó ÓË (A) Val B Ï ÓË (V) Leu  ΠÓË (L) Ile IÛÔÏ ΠÓË (I) Ser ÂÚ ÓË (S) Thr ÚÂÔÓ ÓË (T) Asp AÛapple ÚÙÈÎfi (D) Asn AÛapple Ú Á ÓË () Glu ÏÔ Ù ÌÈÎfi (E) Gln ÏÔ Ù Ì ÓË (Q) ys K ÛÙ ÓË () Sec ÂÏËÓÔÎ ÛÙ ÓË (U) Met MÂıÂÈÔÓ ÓË (M) Phe º ÈÓ Ï Ï Ó ÓË (F) Tyr T ÚÔÛ ÓË (Y) Trp TÚ appleùôê ÓË (W) Lys Û ÓË (K) Arg AÚÁÈÓ ÓË (R) is IÛÙÈ ÓË () 2 2 Pro ÚÔÏ ÓË (P) 2 KÏ : IÔÓÙÈ fiìâóô-fiíèóô ( ËÌ ˆÛË: ÙËÓ appleâú appleùˆûë ÙË appleúôï ÓË appleâèîôó ÂÙ È ÔÏfiÎÏËÚË Ë ÔÌ, fi È ÌfiÓÔÓ Ë ÔÌ R. appleúôï ÓË ÂÓ Â Ó È ÎÚÈ Ò ÌÈÓÔÍ, ÈfiÙÈ ÛÙÂÚÂ Ù È ÂÏ ıâúë ÌÈÓÔÌ.) 2 ανόμοια μεταξύ τους μόρια ονομάζονται ισομερή. Ο Louis Pasteur, ο περίφημος μικροβιολόγος που κατέρριψε τη θεωρία της αυθόρμητης γένεσης (f Τμήμα 1.), είχε αρχίσει την επιστημονική του σταδιοδρομία ως χημικός, μελετώντας μια κατηγορία ισομερών που καλούνται οπτικά ισομερή. Η ασυμμετρία που ο Pasteur αρχικά ανακάλυψε στους κρυστάλλους του τρυγικού οξέος (Εικόνα.1) ήταν θεμελιώδους σημασίας για τη μετέπειτα έρευνά του, που έδειξε ότι τα έμβια όντα παράγουν και αυτά οπτικώς ενεργά μόρια (όπως αμινοξέα και σάκχαρα). Πολλά ισομερή κοινών σακχάρων απαντούν ως συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων σε Βακτήρια και Αρχαία (f Τμήμα.8). Ισομερή που έχουν τον ίδιο μοριακό και συντακτικό τύπο, αλλά το ένα είναι «κατοπτρικό είδωλο» του άλλου, όπως το αριστερό χέρι είναι κατοπτρικό είδωλο του δεξιού χεριού, καλούνται εναντιομερή και αποδίδονται με τους προσδιορισμούς D και L (Εικόνα.1β). Στα βιολογικά συστήματα, κυριαρχούν τα D σάκχαρα. Εκτός των σακχάρων, τα αμινοξέα μπορεί επίσης να υπάρχουν ως εναντιομερή D ή L. Όσον αφορά ωστόσο τις πρωτεΐνες, η ζωή έχει εξελιχθεί κατά τρόπο ώστε να χρησιμοποιούνται L αμινοξέα και όχι D (Εικόνα.1γ). Πάντως, σπανιότερα, στη φύση απαντούν και D αμινοξέα, κυρίως στις πεπτιδογλυκάνες των κυτταρικών τοιχωμάτων (f Τμήμα.8) και σε ορισμένα αντιβιοτικά πεπτίδια (f Τμήμα 20.9). Τα κύτταρα των προκαρυωτών είναι εφοδιασμένα με ειδικά ένζυμα για να μπορούν να καταλύουν τις απαιτούμενες μετατροπές των D αμινοξέων σε L και των L σακχάρων σε D. Πρόκειται για ένζυμα που καλούνται ρακεμάσες και IÔÓÙÈ fiìâóô- ÏÎ ÏÈÎfi ÔÏÈÎfi ÌË ÈÔÓÙÈ fiìâóô Εικόνα.12 Συντακτικοί τύποι των 21 κοινών αµινοξέων. Αριστερά από MË appleôïèîfi το όνοµα κάθε αµινοξέος δίνεται η τριγράµµατη συντοµογραφία του και δεξιά ( ÚfiÊÔ Ô) (σε παρένθεση) η µονογράµµατη συντοµογραφία του. R 1 R 2 ÂappleÙÈ ÈÎfi ÂÛÌfi Εικόνα.1 Σχηµατισµός πεπτιδικού δεσµού. R 1 και R 2 αναφέρονται στο µεταβλητό µέρος των αµινοξέων (πλευρική αλυσίδα) (βλ. Εικόνα.12).

14 8 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ n n a a T T h h d b b d M M P bã b' P ( ) c c ( ) ( ) Εικόνα.1 Σχεδιαγράµµατα κρυστάλλων τρυγικού οξέος ( 6 6 ), διά χειρός Louis Pasteur, από το περίφηµο άρθρο του περί οπτικής ενεργότητας. (α) Αριστεροχειρικός κρύσταλλος (µορφή L). (β) εξιοχειρικός κρύσταλλος (µορφή D). Οι δύο κρύσταλλοι είναι κατοπτρικά είδωλα ο ένας του άλλου (δηλ. εναντιοµερή). Τα γράµµατα πάνω στις έδρες των κρυστάλλων υποδηλώνουν τα ζεύγη εναντιοµερών εδρών, κατά τον συµβολισµό του Pasteur. Για να αναδειχθεί σαφέστερα η εναντιοµέρεια των κρυστάλλων, έχει χρησι- µοποιηθεί έγχρωµη σκίαση. ( ) 2 D- Ï Îfi Ë 2 L- Ï Îfi Ë λειτουργία τους είναι να μετατρέπουν το μη χρηστικό εναντιομερές (L σάκχαρο ή D αμινοξύ) στη μεταβολικά ενεργό μορφή του (D σάκχαρο ή L αμινοξύ)..6 Έλεγχος εννοιών Στα κύτταρα απαντούν 21 κοινά αμινοξέα, που μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικό δεσμό. Τόσο τα σάκχαρα όσο και τα αμινοξέα υφίστανται σε ζεύγη εναντιομερών μορφών (κατοπτρικών ειδώλων), αλλά ένα μόνο οπτικό ισομερές των μονομερών αυτών απαντά στους πολυσακχαρίτες και στις πρωτεΐνες του κυττάρου, αντίστοιχα. Γιατί μπορούμε να πούμε ότι όλα τα αμινοξέα είναι δομικώς όμοια αλλά συγχρόνως διαφορετικά μεταξύ τους; Σχεδιάστε τη δομή ενός διπεπτιδίου που να περιέχει τα αμινοξέα αλανίνη και τυροσίνη. Σημειώστε τον πεπτιδικό δεσμό. Ποια εναντιομερής μορφή σακχάρων και ποια εναντιομερής μορφή αμινοξέων απαντά κυρίως στους έμβιους οργανισμούς; Γιατί το αμινοξύ γλυκίνη δεν εμφανίζει εναντιομερείς μορφές;.7 Πρωτεΐνες: πρωτοταγής και δευτεροταγής δοµή Οι πρωτεΐνες παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία του κυττάρου. Διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες, τις καταλυτικές πρωτεΐνες (ένζυμα) και τις δομικές πρωτεΐνες. Τα ένζυμα είναι οι καταλύτες των πολλών 2 Eapple appleâ Ë appleúô ÔÏ 2 TÚÈ È ÛÙ ÙË appleúô ÔÏ * L-AÏ Ó ÓË 2 2 και ποικίλων χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα κύτταρα (f Κεφάλαια και 17). Οι δομικές πρωτεΐνες, αντίθετα, ενσωματώνονται ως συστατικά μέρη των κυτταρικών δομών στις μεμβράνες, στα κυτταρικά τοιχώματα, και στα λειτουργικά στοιχεία του κυτταροπλάσματος. Το κύτταρο, στην ουσία, προσδιορίζεται από την ποιοτική και την ποσοτική του σύσταση από πρωτεΐνες. Η κατανόηση της πρωτεϊνικής δομής έχει, επομένως, ουσιαστική σημασία για την κατανόηση της κυτταρικής λειτουργίας. Πρωτοταγής δοµή Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή αμινοξέων συνδεδεμένων ομοιοπολικά μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς (Ει- D-AÏ Ó ÓË * ÙËÓ ÙÚÈ È ÛÙ ÙË appleúô ÔÏ, ÙÔ ÌÂÓ ÏÔ ı appleú appleâè Ó ıâˆúëıâ fiùè Î Ù ı ÓÂÙ È appleúô ÙÔÓ apple Ú ÙËÚËÙ, Ë Â È ÎÂÎÔÌÌ ÓË ÁÚ ÌÌ fiùè appleôì ÎÚ ÓÂÙ È applefi ÙfiÓ. (Á) Εικόνα.1 Ισοµερή. (α) Υπόδειγµα ζεύγους κατοπτρικών ειδώλων. (β) Εναντιοµερή γλυκόζης. (γ) Εναντιοµερή του αµινοξέος αλανίνη. Παρατηρήστε ότι, όπως και να περιστραφούν οι τριδιάστατες προβολές των µορίων, οι δύο µορφές, L και D, είναι αδύνατον να συµπέσουν.

15 .7 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΡΩΤΟΤΑΓΗΣ ΚΑΙ ΕΥΤΕΡΟΤΑΓΗΣ ΟΜΗ 9 κόνα.1). Δύο αμινοξέα συνδεδεμένα μεταξύ τους συγκροτούν ένα διπεπτίδιο, τρία αμινοξέα συγκροτούν ένα τριπεπτίδιο, κ.ο.κ. Όταν πολλά αμινοξέα είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, σχηματίζεται ένα πολυπεπτίδιο. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από ένα ή περισσότερα πολυπεπτίδια. Ο αριθμός αμινοξέων διαφέρει σημαντικά από πρωτεΐνη σε πρωτεΐνη. Γνωρίζουμε πρωτεΐνες με 1 μόνον αμινοξέα, αλλά και πρωτεΐνες με αμινοξέα. Εφόσον οι πρωτεΐνες μπορεί να διαφέρουν τόσο πολύ ως προς τη σύσταση, την αλληλουχία, και τον αριθμό των αμινοξέων τους, είναι εύκολο να εννοήσει κανείς την τεράστια ποικιλομορφία της πρωτεϊνικής δομής (και λειτουργίας). Η γραμμική σειρά των αμινοξέων σε ένα πολυπεπτίδιο αναφέρεται ως πρωτοταγής δομή του. Η πρωτοταγής δομή του πολυπεπτιδίου έχει μεγάλη σημασία, καθώς μια δεδομένη πρωτοταγής δομή είναι συμβατή με ορισμένους μόνο τύπους αναδίπλωσης στον χώρο, ενώ το τελικό, αναδιπλωμένο πολυπεπτίδιο είναι αυτό που εμφανίζει τη βιολογική δραστικότητα. Μπορεί, επομένως, να ειπωθεί ότι η πρωτοταγής δομή υπαγορεύει σε πολύ μεγάλο βαθμό τις τελικές βιολογικές ιδιότητες του πολυπεπτιδίου. ευτεροταγής δοµή Η χωροταξική γειτνίαση των ομάδων R των αμινοξέων σε ένα πολυπεπτίδιο ωθεί το μόριο να συστραφεί και να αναδιπλωθεί με συγκεκριμένο τρόπο, οδηγώντας στον σχηματισμό της δευτεροταγούς δομής της πρωτεΐνης (Εικόνα.16). Οι δεσμοί υδρογόνου (οι ασθενείς μη ομοιοπολικοί δεσμοί που μελετήθηκαν στο Τμήμα.1) παίζουν σημαντικό ρόλο στον τύπο δευτεροταγούς δομής που υιοθετεί μια πρωτεΐνη. Ένας τύπος δευτεροταγούς δομής είναι η α-έλικα. Θα μπορούσαμε να εννοήσουμε την πρωτεϊνική έλικα ως ένα γραμμικό πολυπεπτίδιο τυλιγμένο γύρω από έναν κύλινδρο (Εικόνα.16α). Υπό τις συνθήκες αυτές, άτομα οξυγόνου και αζώτου από διαφορετικά αμινοξέα προσεγγίζουν το ένα το άλλο στην αναδιπλωμένη δομή του πολυπεπτιδίου, επιτρέποντας τον σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Η δυνατότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου (και η εγγενής μοριακή σταθερότητα που συνδέεται με αυτήν) ωθεί πολλά πολυπεπτίδια στο να υιοθετούν δευτεροταγή δομή α-έλικας (Εικόνα.16α). Ένας άλλος τύπος δευτεροταγούς δομής, είναι η β- πτυχωτή επιφάνεια. Στη β-πτυχωτή επιφάνεια, η αλυσίδα αμινοξέων του πολυπεπτιδίου αναπτυχώνεται συνεχώς χωρίς να σχηματίζει έλικα: αυτός ο τύπος αναδίπλωσης φέρνει σε κατάλληλες θέσεις άτομα υδρογόνου που μπορούν να συμμετάσχουν σε δεσμούς υδρογόνου (Εικόνα.16β). Πολλά πολυπεπτίδια περιέχουν στη δευτεροταγή δομή τους τόσο περιοχές α-έλικας όσο και περιοχές β- πτυχωτής επιφάνειας: ο τύπος αναδίπλωσης καθορίζεται από τις δυνατότητες που υπάρχουν για τον σχηματι- ( ) ( ) R R R R R R R R R R R R R ÂÛÌÔ ÚÔÁfiÓÔ ÌÂÙ Í ÁÂÈÙÔÓÈÎÒÓ ÌÈÓÔÍ ˆÓ R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R ÂÛÌÔ ÚÔÁfiÓÔ ÌÂÙ Í appleôì ÎÚ ÛÌ ÓˆÓ ÌÈÓÔÍ ˆÓ Εικόνα.16 ευτεροταγής δοµή πολυπεπτιδίων. (α) ευτεροταγής δοµή α-έλικας. Παρατηρήστε ότι οι δεσµοί υδρογόνου σχηµατίζονται µεταξύ ατόµων των πεπτιδικών δεσµών, χωρίς τη συµµετοχή των οµάδων R. (β) ευτεροταγής δοµή β-πτυχωτής επιφάνειας.

16 60 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ β-appleù ˆÙ ÂappleÈÊ ÓÂÈ AÏ Û A AÏ Û B α- ÏÈÎ ( ) IÓÛÔ Ï ÓË ( ) PÈ ÔÓÔ ÎÏÂ ÛË Εικόνα.17 Τριτοταγής δοµή πολυπεπτιδίων, που υποδεικνύει και τις θέσεις εντοπισµού περιοχών µε δευτεροταγή δοµή α-έλικας ή β-πτυχωτής επιφάνειας. (α) Ινσουλίνη, µια πρωτεΐνη που έχει δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες (f Τµήµα 1.9) παρατηρήστε ότι η αλυσίδα Β περιέχει δοµές α- έλικας αλλά και β-πτυχωτής επιφάνειας, και ότι οι δισουλφιδικοί δεσµοί (κυανό χρώµα) συντελούν στον καθορισµό της τελικής αναδίπλωσης (τριτοταγούς δοµής). (β) Ριβονουκλεάση, µια µεγάλη πρωτεΐνη µε αρκετές περιοχές α-έλικας και β-πτυχωτής επιφάνειας. σμό δεσμών υδρογόνου και για υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Εφόσον η β-πτυχωτή επιφάνεια δίνει γενικά μια δύσκαμπτη δομή, ενώ η α-έλικα είναι συνήθως πιο εύκαμπτη, η δευτεροταγής δομή ενός πολυπεπτιδίου υπαγορεύει σε μεγάλο βαθμό και τον λειτουργικό ρόλο της αντίστοιχης πρωτεΐνης στο κύτταρο. Πολλά πολυπεπτίδια οργανώνονται σε δύο ή περισσότερα τμήματα αναδίπλωσης που μπορεί να έχουν δευτεροταγή δομή α-έλικας ή β-πτυχωτής επιφάνειας (βλ. Εικόνα.17). Αυτά τα τμήματα, γνωστά και ως πρωτεϊνικοί τομείς (domains), είναι περιοχές του πολυπεπτιδίου που επιτελούν εξειδικευμένες λειτουργίες στο τελικό πρωτεϊνικό μόριο. Μετά την απόκτηση δευτεροταγούς δομής, το πολυπεπτίδιο εξακολουθεί να αναδιπλώνεται για να σχηματίσει ένα ακόμη σταθερότερο μόριο. Η αναδίπλωση αυτή οδηγεί στον σχηματισμό της τριτοταγούς δομής της πρωτεΐνης. Όπως και στην περίπτωση της δευτεροταγούς δομής, η τριτοταγής δομή προσδιορίζεται σε τελική ανάλυση από την πρωτοταγή δομή, αλλά σε κάποιο βαθμό καθορίζεται και από τη δευτεροταγή δομή του μορίου. Ως συνέπεια του σχηματισμού δευτεροταγούς δομής, η πλευρική αλυσίδα κάθε αμινοξέος είναι διευθετημένη στο πολυπεπτίδιο με έναν συγκεκριμένο τρόπο. Εφόσον υπάρχει η δυνατότητα σχηματισμού επιπρόσθετων δεσμών υδρογόνου, ομοιοπολικών δεσμών, υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, ή άλλων αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατόμων, το πολυπεπτίδιο θα συνεχίσει να αναδιπλώνεται ώστε να συμπεριλάβει τις αλληλεπιδράσεις αυτές και να αποκτήσει το χαρακτηριστικό, τριδιάστατο σχήμα του (Εικόνα.17). Συχνά, ένα πολυπεπτίδιο αναδιπλώνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να εκτίθενται οι σουλφυδρυλικές ομάδες ( S) δύο γειτονικών καταλοίπων κυστεΐνης. Αυτές οι ελεύθερες ομάδες S μπορούν να ενωθούν ομοιοπολικά και να σχηματίσουν δισουλφιδική γέφυρα μεταξύ των δύο αμινοξέων. Αν τα δύο κατάλοιπα κυστεΐνης εντοπίζονται σε διαφορετικά πολυπεπτίδια μιας πρωτεΐνης, ο δισουλφιδικός δεσμός δημιουργεί μια φυσική σύνδεση μεταξύ των δύο μορίων (Εικόνα.17α). Εξάλλου, δύο κατάλοιπα κυστεΐνης μπορεί να σχηματίσουν δισουλφιδική σύνδεση μέσα στο ίδιο πολυπεπτίδιο, ωθώντας το μόριο να αναδιπλωθεί αυθόρμητα και να επανασυνδεθεί ομοιοπολικά με τον εαυτό του. Η τελική τριτοταγής αναδίπλωση του πολυπεπτιδίου δημιουργεί μέσα στο μόριο εκτεθειμένες περιοχές αλλά και αύλακες (Εικόνες.17 και.18), που είναι συχνά σημαντικές για τη δέσμευση άλλων μορίων (π.χ. για τη δέσμευση ενός υποστρώματος σε ένα ένζυμο) (f Τμήμα.). Aν μια πρωτεΐνη αποτελείται από δύο ή περισσότερα πολυπεπτίδια, όπως συμβαίνει με πολλές πρωτεΐνες, ο αριθμός και ο τύπος των πολυπεπτιδίων που σχηματίζουν το τελικό πρωτεϊνικό προϊόν αναφέρεται ως τεταρτοταγής δομή του μορίου (Εικόνα.18). Στις πρωτεΐνες με τεταρτοταγή δομή, η κάθε υπομονάδα έχει τη δική της πρωτοταγή, δευτεροταγή, και τριτοταγή δομή. Με- AÏ Û Â α.8 Πρωτεΐνες: δοµές υψηλότερης τάξης και αποδιάταξη AÏ Û Â β Εικόνα.18 Τεταρτοταγής δοµή της αιµοσφαιρίνης. Υπάρχουν δύο είδη πολυπεπτιδίων στην αιµοσφαιρίνη, αλυσίδες α (κυανό και κόκκινο χρώµα) και αλυσίδες β (πορτοκαλί και κίτρινο χρώµα) και, συνολικά, πολυπεπτίδια στο τελικό πρωτεϊνικό µόριο (εδώ, τα «α» και «β» αναφέρονται σε ονοµασίες πολυπεπτιδικών αλυσίδων και όχι σε είδη δευτεροταγούς δοµής). Η τεταρτοταγής δοµή της αιµοσφαιρίνης συµβολίζεται ως α 2 β 2. Οι διακριτές αλυσίδες απεικονίζονται µε διαφορετικά χρώµατα.

17 .8 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΟΜΕΣ ΥΨΗΛΟΤΕΡΗΣ ΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟ ΙΑΤΑΞΗ 61 ρικές πρωτεΐνες περιέχουν πολλά αντίτυπα μίας και μόνο υπομονάδας (μια πρωτεΐνη που αποτελείται από δύο πανομοιότυπες υπομονάδες αναφέρεται ως ομοδιμερής), ενώ άλλες περιέχουν ανόμοιες υπομονάδες, που συμμετέχουν με ένα ή περισσότερα αντίτυπα η κάθε μία. Οι υπομονάδες συγκρατούνται μεταξύ τους είτε με μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις (δεσμούς υδρογόνου, δυνάμεις van der Waals, ή υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις) είτε με ομοιοπολικές συνδέσεις (δισουλφιδικούς, κυρίως, δεσμούς μεταξύ των υπομονάδων). Aποδιάταξη (µετουσίωση) Όταν οι πρωτεΐνες εκτίθενται σε ακραίες θερμοκρασίες ή p, ή σε ορισμένες χημικές ουσίες ή μέταλλα που επιδρούν στην αναδίπλωση του μορίου τους, υφίστανται αποδιάταξη, ή μετουσίωση (Εικόνα.19). Η αποδιάταξη οδηγεί σε απώλεια των βιολογικών ιδιοτήτων της πρωτεΐνης, χωρίς όμως να επηρεάζει τους πεπτιδικούς δεσμούς (Εικόνα.1). Με την αποδιάταξη αποδιπλώνεται η πολυπεπτιδική αλυσίδα και διασπάται η υψηλότερης τάξης δομή του μορίου. Το μετουσιωμένο πολυπεπτίδιο, ωστόσο, διατηρεί την πρωτοταγή δομή του, εφόσον διατηρούνται οι ομοιοπολικοί (πεπτιδικοί) δεσμοί. Ανάλογα με την ένταση των συνθηκών αποδιάταξης, είναι δυνατόν να επιτευχθεί αναδιάταξη της δομής του πολυπεπτιδίου μετά από απομάκρυνση του αποδιατακτικού παράγοντα (Εικόνα.19). Ωστόσο, το γεγονός ότι η μετουσίωση συνδέεται με απώλεια της βιολογικής δραστικότητας της πρωτεΐνης δείχνει ότι η βιολογική δραστικότητα δεν είναι εγγεγραμμένη απευθείας στην πρωτοταγή δομή, αλλά στη χαρακτηριστική τελική αναδίπλωση του μορίου (που προκύπτει, βέβαια, και αυτή από την πρωτοταγή δομή). Επομένως, η αναδίπλωση ενός πολυπεπτιδίου τού προσδίδει ένα συγκεκριμένο και μοναδικό σχήμα, που εξυπηρετεί μια εξειδικευμένη βιολογική λειτουργία. Η αποδιάταξη των πρωτεϊνών δεν παρουσιάζει μόνο ακαδημαϊκό ενδιαφέρον, αλλά βρίσκει και πρακτική εφαρμογή ως κύριο μέσο απολύμανσης από μικροοργανισμούς. Όπως θα περιγραφεί στο Κεφάλαιο 20, πολλές χημικές ουσίες είναι ισχυρά απολυμαντικά επειδή μπορούν να διαπερνούν τα κύτταρα των μικροοργανισμών και να μετουσιώνουν τις πρωτεΐνες τους. Τέτοιες ουσίες είναι, επί παραδείγματι, αλκοόλες όπως η φαινόλη και η αιθανόλη. Αυτοί οι χημικοί παράγοντες είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για την απολύμανση αντικειμένων, π.χ. διαφόρων επιφανειών, και έχουν τεράστια πρακτική αξία σε οικιακές, νοσοκομειακές, και βιομηχανικές εφαρμογές. Tα επόµενα κεφάλαια Αφού αποκτήσαμε μια καλύτερη κατανόηση της χημείας της ζωής, θα προχωρήσουμε τώρα στο Κεφάλαιο, που πραγματεύεται τις δομικές συσχετίσεις μέσα στα appleè appleô È Ù ÍË (Ô Ú ) AappleÔÌ ÎÚ ÓÛË Ô Ú Ø Ó ÂÓÂÚÁÔappleÔ ËÛË AÓÂÓÂÚÁfi EÓÂÚÁfi appleúˆùâ ÓË EÓÂÚÁfi appleúˆùâ ÓË ŒÓÙÔÓË appleô È Ù ÍË (100Æ) AÓÂÓÂÚÁfi æ ÍË AÓÂÓÂÚÁfi Εικόνα.19 Aποδιάταξη (µετουσίωση) της πρωτεΐνης ριβονουκλεάση (της οποίας η δοµή δίνεται στην Εικόνα.17β). Παρατηρήστε πώς οι έντονες συνθήκες αποδιάταξης οδηγούν σε ένα οριστικά κατεστραµµένο µόριο (ως προς τη βιολογική λειτουργία του) λόγω εσφαλµένης αναδίπλωσης. κύτταρα. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφεί πώς συνδυάζονται τα διαφορετικά μακρομόρια για να σχηματισθούν η μεμβράνη, το τοίχωμα, το μαστίγιο, και οι άλλες κυτταρικές δομές. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο θα αναφερθούμε στις βασικές μεταβολικές ιδιότητες των κυττάρων. Αν και ίσως δεν είναι εμφανές επί του παρόντος, τα Κεφάλαια και συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους, καθώς ο λειτουργικός μηχανισμός του μεταβολισμού (f Τμήμα 1.2) είναι αυτός που εξασφαλίζει τη σύνθεση και οργάνωση των μακρομορίων στις εξειδικευμένες δομές του κυττάρου. Όλες αυτές οι διεργασίες κορυφώνονται με την κυτταρική αύξηση (Κεφάλαιο 6). Mε την πρόοδο της μελέτης του βιβλίου αυτού, θα ήταν σκόπιμο ο φοιτητής να ανατρέχει συχνά στο Κεφάλαιο, για να εμπεδώνει τις βασικές γνώσεις του

18 62 Kεφάλαιο ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ σχετικά με τη χημεία της ζωής. Αν και οι μικροοργανισμοί έχουν αναπτύξει μια σχεδόν απεριόριστη ποικιλία μακρομορίων, αυτή η ποικιλία εξαντλείται ουσιαστικά σε δομικές παραλλαγές των τεσσάρων κατηγοριών μακρομορίων που περιγράψαμε στο κεφάλαιο αυτό. Και, όπως γνωρίζει κάθε καλός μικροβιολόγος, η ουσιαστική κατανόηση των χημικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών, των λιπιδίων, των νουκλεϊκών οξέων, και των πολυσακχαριτών συμβάλλει σε εξαιρετικά μεγάλο βαθμό στην εμπέδωση των βασικών αρχών της μικροβιολογίας..7 και.8 Έλεγχος εννοιών Η πρωτοταγής δομή μιας πρωτεΐνης καθορίζεται από την ακολουθία των αμινοξέων της, αλλά το πώς λειτουργεί η πρωτεΐνη μέσα στο κύτταρο καθορίζεται από την τελική αναδίπλωση του πολυπεπτιδίου (ή πολυπεπτιδίων) στον χώρο (δομή υψηλότερης τάξης). Προσδιορίστε τους όρους πρωτοταγής, δευτεροταγής, και τριτοταγής, σε σχέση με την πρωτεϊνική δομή. Σε τι διαφέρει ένα πολυπεπτίδιο από μια πρωτεΐνη; Ποια στοιχεία δευτεροταγούς δομής καθιστούν τις πρωτεΐνες με β-πτυχωτές επιφάνειες περισσότερο δύσκαμπτες από τις α-έλικες; Περιγράψτε την τεταρτοταγή δομή μιας ομοδιμερούς πρωτεΐνης. Ομοίως, την τεταρτοταγή δομή μιας ετεροδιμερούς πρωτεΐνης. Περιγράψτε τις δομικές και λειτουργικές επιπτώσεις που έχει η αποδιάταξη μιας πρωτεΐνης. Ποια πρακτική αξία έχει η γνώση της αποδιάταξης των πρωτεϊνών; Eρωτήσεις επανάληψης 1. Ποια είναι τα κυριότερα χημικά στοιχεία των έμβιων οργανισμών; Γιατί στους έμβιους οργανισμούς αφθονούν ιδιαίτερα το οξυγόνο και το υδρογόνο; 2. Δώστε τον ορισμό της λέξης μόριο. Πόσα άτομα υπάρχουν σε ένα μόριο αέριου υδρογόνου; Πόσα άτομα υπάρχουν σε ένα μόριο γλυκόζης;. Σχεδιάστε τη δομή της αζωτούχου βάσεως κυτοσίνης και στη συνέχεια σημειώστε τις θέσεις όλων των απλών και διπλών δεσμών στο μόριο αυτό. (Υπόδειξη: βλ. Εικόνα.1.). Αντιπαραβάλετε τις έννοιες των λέξεων μονομερές και πολυμερές. Αναφέρετε τρία παραδείγματα βιολογικά σημαντικών πολυμερών και αναλύστε τα μονομερή από τα οποία αυτά συντίθενται.. Αναφέρετε τα συστατικά ενός απλού λιπιδίου. Σε τι διαφέρει ένα τριγλυκερίδιο από ένα σύνθετο λιπίδιο; 6. Εξετάστε τις δομές του τριγλυκεριδίου και της φωσφατιδυλο αιθανολαμίνης που απεικονίζονται στην Εικόνα.7. Πώς μπορεί να αλλάζει τις ιδιότητες του λιπιδίου η αντικατάσταση φωσφορικού και αιθανολαμίνης από μία ομάδα λιπαρού οξέος; 7. Το RA και το DA είναι όμοιοι τύποι μακρομορίων, εμφανίζουν όμως και διακριτές διαφορές. Αναφέρετε τρεις διαφορές μεταξύ RA και DA. Ποια είναι η κυτταρική λειτουργία του DA και ποια του RA; 8. Από πού προέρχεται η ονομασία αμινοξέα; Γράψτε τη γενική δομή ενός αμινοξέος. Ποιο ρόλο παίζει η ομάδα R στην τελική πρωτεϊνική δομή; Γιατί έχει το αμινοξύ κυστεΐνη ιδιαίτερη σημασία στην πρωτεϊνική δομή; 9. Ποιος χημικός τύπος αντίδρασης μεταξύ δύο αμινοξέων οδηγεί στον σχηματισμό του πεπτιδικού δεσμού; (Yπόδειξη: βλ. Εικόνα.1.) 10. Σχεδιάστε έναν πεπτιδικό δεσμό. Ξανασχεδιάστε τη δομή αυτή σε ατομική μορφή (βλ. Εικόνα.1), υποδεικνύοντας και τη διευθέτηση των ηλεκτρονίων στα άτομα του πεπτιδικού δεσμού. Eρωτήσεις εφαρµογής 1. Δίνονται οι ακόλουθες νουκλεοτιδικές αλληλουχίες RA: (α) GUAAAGA, (β) AGAUAA. Μπορεί κάποιο από αυτά τα μόρια RA να έχει δευτεροταγή δομή; Αν ναι, σχεδιάστε την πιθανή ή τις πιθανές δευτεροταγείς δομές. 2. Ορισμένες διαλυτές (κυτταροπλασματικές) πρωτεΐνες περιέχουν υψηλό ποσοστό υδρόφοβων αμινοξέων. Πώς προβλέπετε να αναδιπλώνονται οι πρωτεΐνες αυτές στην τριτοταγή τους δομή και γιατί;. Τα κύτταρα του γένους alobacterium, ενός Aρχαίου που ζει σε υπεράλμυρα περιβάλλοντα, περιέχουν ιόντα καλίου (K + ) σε συγκέντρωση άνω των M. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης K +, πολλές κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες των κυττάρων του alobacterium περιέχουν σε ιδιαίτερα υψηλή αναλογία δύο αμινοξέα τα οποία δεν απαντούν τόσο συχνά στις ομόλογες πρωτεΐνες της Escherichia coli ή άλλων βακτηρίων με χαμηλά ενδοκυτταρικά επίπεδα

19 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 6 K +. Ποια είναι αυτά τα δύο αμινοξέα και γιατί; Υπόδειξη: Ποια αμινοξέα θα μπορούσαν να εξουδετερώσουν το θετικό φορτίο των ιόντων K + ;. Πρωτεΐνες που εμφανίζουν δευτεροταγή δομή α-έλικας είναι συχνά πιο εύκαμπτες από πρωτεΐνες με δευτεροταγή δομή β-πτυχωτής επιφάνειας. Αναλύστε την παρατήρηση αυτή.. Όταν ένα αβγό τοποθετηθεί σε δοχείο με βραστό νερό, αρχίζουν σχεδόν αμέσως να συντελούνται αλλαγές στα υλικά του. Περιγράψτε τις αλλαγές αυτές και αιτιολογήστε γιατί το περιεχόμενο ενός βραστού αβγού διαφέρει τόσο πολύ από εκείνο ενός ωμού. 6. Έχοντας υπ όψιν την απάντησή σας στην ερώτηση, αιτιολογήστε πώς ορισμένοι υπερθερμόφιλοι προκαρυωτικοί οργανισμοί διαβιούν (και μάλιστα, υπό άριστες συνθήκες αύξησης) σε θερμές πηγές «θερμοκρασίας βρασμού». Σε τι διαφέρουν οι πρωτεΐνες των υπερθερμόφιλων οργανισμών από τις πρωτεΐνες του αβγού;

20