ΙΕΚ ΕΥΟΣΜΟΥ

Ειδικότητα : Βοηθός Φαρμακείου

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ

ΚΙΟΣΕΟΓΛΟΥ ΕΥΦΡΟΣΥΝΗ

Χημικός μηχανικός

Εισαγωγή στην Βιοχημεία

Η Βιοχημεία ασχολείται με την μελέτη των χημικών μορίων που συναντώνται στον οργανισμό, καθώς επίσης και τον μεταβολισμό τους. Οι ενώσεις αυτές είναι κυρίως ενώσεις του άνθρακα, δηλαδή οργανικές ενώσεις για αυτό και η σχέση Βιοχημείας και Οργανικής Χημείας είναι πολύ στενή. Ταυτόχρονα η Βιοχημεία ως μια επιστήμη που μελετά την χημεία της ζωής είναι άμεσα συνδεδεμένη και με την Βιολογία.

Χημική Σύσταση Βιολογικών Μορίων

Από τα 108 στοιχεία που συναντώνται στην φύση 20 είναι εκείνα που αποτελούν βασικά συστατικά των κυττάρων. Ένα τυπικό κύτταρο, διαμέτρου 10μm, περιέχει περίπου 1014 άτομα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας πλήθος μικρομοριακές ή μεγαλομοριακές ενώσεις. Σε μεγαλύτερη περιεκτικότητα είναι τα στοιχεία: οξυγόνο (O), άνθρακας (C), υδρογόνο (H), άζωτο (N), στοιχεία με μικρό ατομικό βάρος. Τα στοιχεία αυτά συνθέτουν τις διάφορες χημικές ενώσεις που αποτελούν τα βασικά δομικά και λειτουργικά συστατικά των ζώντων οργανισμών και τα οποία ονομάζονται βιομόρια.

Ο σχηματισμός και η σταθερότητα των διαφόρων βιομορίων οφείλονται σε διάφορους χημικούς δεσμούς. Τέτοιοι δεσμοί είναι ο ομοιοπολικός και ο ετεροπολικός δεσμός καθώς και άλλοι δευτερεύοντες δεσμοί όπως οι δεσμοί υδρογόνου, οι δυνάμεις Van der Waals και οι υδρόφοβος αλληλεπιδράσεις.

Ομοιοπολικός δεσμός ονομάζεται ο χημικός δεσμός που αναπτύσσεται μεταξύ ατόμων που μοιράζονται ηλεκτρόνια. Ομοιοπολικούς δεσμούς σχηματίζουν τα αμέταλλα στοιχεία (υδρογόνο, άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο, φώσφορος, θείο) και είναι ο πιο ισχυρός δεσμός. Ετεροπολικός δεσμός ή ιοντικός δεσμός λέγεται ο χημικός δεσμός μεταξύ ατόμων όπου το ένα άτομο προσφέρει ηλεκτρόνια και το άλλο τα δέχεται. Ο ετεροπολικός ή ιοντικός δεσμός εμφανίζεται στις ενώσεις μεταξύ μετάλλων (νάτριο, κάλιο, ασβέστιο, χαλκός, σίδηρος, μαγνήσιο) και αμετάλλων, όπως για παράδειγμα στο αλάτι (χλωριούχο νάτριο). Δεσμοί Υδρογόνου είναι ασθενείς, διαμοριακοί δεσμοί, ηλεκτροστατικής φύσεως, που σχηματίζονται μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου και ενός στοιχείου ισχυρά ηλεκτραρνητικού. Ο δεσμός αναπτύσσεται μεταξύ του ατόμου του υδρογόνου του ενός μορίου και του ισχυρά ηλεκτραρνητικού στοιχείου του άλλου μορίου. Κλασικό παράδειγμα δεσμού υδρογόνου αποτελεί η περίπτωση του νερού. Η ύπαρξη μεγάλου αριθμού δεσμών υδρογόνου σε μια ουσία προσδίδει ιδιαίτερη σταθερότητα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι δεσμοί υδρογόνου εμφανίζονται σε πολλά βιομόρια όπως οι πρωτεΐνες και τα μόρια DNA, RNA. Δυνάμεις Van der Waals είναι ασθενείς, ηλεκτροστατικής φύσης, διαμοριακές δυνάμεις. Είναι δηλαδή δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ μορίων που εμφανίζουν παροδικά συσσώρευση αρνητικού φορτίου σε ένα τμήμα τους και θετικού φορτίου σε μια άλλη πλευρά του μορίου. Λειτουργούν λοιπόν σαν παροδικά δίπολα και αναπτύσσουν ασθενείς ελκτικές δυνάμεις με άλλα τέτοια δίπολα.

2

Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις είναι δεσμοί οι οποίοι δημιουργούνται μεταξύ μορίων με οργανικές αλυσίδες και χωρίς πολικές ομάδες, που πλησιάζουν μεταξύ τους. Τέτοιες δυνάμεις παρουσιάζονται στο εσωτερικό πρωτεϊνικών μορίων.

Κατηγορίες Βιομορίων

Τα βιομόρια δομούνται από απλά πρόδρομα μόρια (π.χ. H2O, CO2, NH3). Τα πρόδρομα μόρια σχηματίζουν ενδιάμεσα συστατικά (π.χ. γλυκόζη, οξικό οξύ) τα οποία με την σειρά τους συνθέτουν διάφορα δομικά συστατικά (μονομερή π.χ. αμινοξέα, νουκλεοτίδια, λιπαρά οξέα). Τα δομικά συστατικά σχηματίζουν μεγάλου μεγέθους μόρια γνωστά ως μακρομόρια ή βιοπολυμερή ή απλά βιομόρια (π.χ. πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια). Τα μακρομόρια αυτά συγκροτούν τα διάφορα υπερμοριακά συμπλέγματα (π.χ. ριβοσώματα). Τα υπερμοριακά σωματίδια δημιουργούν τα υποκυτταρικά οργανίδια όπως ο πυρήνας και τα μιτοχόνδρια. Όλα τα παραπάνω συστατικά συγκροτούν το κύτταρο (Σχήμα 1).

Σχήμα 1. Η ιεραρχία της μοριακής οργάνωσης των κυττάρων

Οι σημαντικότερες κατηγορίες βιομορίων είναι οι παρακάτω.

ΠρωτεΐνεςΟι πρωτεΐνες αποτελούν τα πλέον διαδεδομένα βιομόρια του κυττάρου και

παρουσιάζουν πολλές και διαφορετικές λειτουργίες. Τα μόρια των πρωτεϊνών μοιάζουν με αλυσίδες οι κρίκοι των οποίων είναι τα αμινοξέα. Οι δεσμοί που συνδέουν τα αμινοξέα μεταξύ τους ονομάζονται πεπτιδικοί και είναι ομοιοπολικοί δεσμοί.

Υδατάνθρακες ή ΠολυσακχαρίτεςΟι υδατάνθρακες είναι τα βιομόρια που αποτελούν τη βασική πηγή ενέργειας.

Αποτελούνται από σάκχαρα που συνδέονται με γλυκοζιτικούς δεσμούς (ομοιοπολικοί δεσμοί). Τα σάκχαρα είναι ενώσεις που αποτελούνται από C, H και O.

3

Νουκλεϊκά οξέαΤα νουκλεϊκά οξέα είναι εκείνα τα μακρομόρια στα οποία γίνεται η αποθήκευση

και η έκφραση των γενετικών πληροφοριών των οργανισμών. Υπάρχουν δύο είδη νουκλεϊκών οξέων, το DNA και το RNA. Τα μόρια των νουκλεϊκών οξέων μοιάζουν με αλυσίδες οι κρίκοι των οποίων ονομάζονται νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από ένα σάκχαρο, ένα μόριο φωσφορικού οξέος (H3PO4) και μια οργανική αζωτούχα βάση. Τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς (ομοιοπολικοί δεσμοί).

ΛιπίδιαΕίναι σώματα αδιάλυτα στο νερό, τα περισσότερα των οποίων είναι εστέρες

διαφόρων οργανικών (λιπαρά οξέα) ή ανόργανων οξέων με αλκοόλες όπως η γλυκερόλη. Οι δεσμοί είναι ομοιοπολικής φύσεως και ονομάζονται εστερικοί.

Τις παραπάνω κατηγορίες βιομορίων καθώς και τον μεταβολισμό τους θα μελετήσουμε στην συνέχεια.

Το ΝερόΑν και η Βιοχημεία ασχολείται με αντιδράσεις οργανικών μορίων, δεν πρέπει

να αγνοηθεί το γεγονός ότι το νερό αποτελεί το 90% των κυττάρων, επομένως τα περισσότερα βιομόρια βρίσκονται σε υδατικό περιβάλλον και σε αυτό το περιβάλλον πραγματοποιούνται οι βιοχημικές αντιδράσεις. Για την Βιοχημεία η μελέτη του νερού είναι ουσιαστική γιατί το νερό :

Είναι ο διαλύτης όλων των βιολογικών υγρών (αίμα, ούρα κτλ) Παίρνει μέρος σε διάφορες βιοχημικές αντιδράσεις είτε ως αντιδρών

(π.χ. υδρόλυση) είτε ως προϊόν (π.χ. εστεροποίηση) Είναι σημαντικός παράγοντας για τις ιδιότητες διαφόρων μακρομορίων

όπως οι πρωτεΐνες.Οι ξεχωριστές ιδιότητες του νερού, στις οποίες αποδίδεται η τεράστια βιολογική

του σημασία, είναι αποτέλεσμα της χημικής δομής του, στην οποία οφείλεται ο σχηματισμός δεσμών υδρογόνου μεταξύ μορίων νερού. Στο μόριο του νερού έχουμε δύο πολωμένους ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ δύο ατόμων υδρογόνου και ενός ατόμου οξυγόνου. Η γωνία που σχηματίζουν οι άξονες των δύο δεσμών με κορυφή το άτομο του οξυγόνου είναι 105° (Σχήμα 2). Η πόλωση των δεσμών στο μόριο του νερού έχουν σαν αποτέλεσμα την συσσώρευση αρνητικού φορτίου στο άτομο του οξυγόνου και αντίστοιχα την συσσώρευση θετικού φορτίου στα άτομα υδρογόνου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αναπτύσσονται σχετικά ισχυρές ελκτικές δυνάμεις (δεσμοί υδρογόνου) ανάμεσα σε ένα άτομο υδρογόνου και ενός ατόμου οξυγόνου ενός άλλου μορίου νερού.

Σχήμα 2. Η δομή του μορίου του νερού

Ο οργανισμός έχει σχετικά μικρές ελεύθερες αποθήκες νερού Στο ανθρώπινο σώμα το νερό περιέχεται σε ποσότητα 70% και στο αίμα 90%. Δεδομένου ότι μεγάλες μετακινήσεις νερού είναι επικίνδυνες για την υγεία, ο οργανισμός προσπαθεί να διατηρήσει ένα ισοζύγιο νερού. Το νερό που λαμβάνεται από τα ποτά και τα

4

τρόφιμα μαζί με το νερό που παράγεται κατά την διάρκεια διαφόρων βιοχημικών αντιδράσεων εξισορροπούν το νερό που αποβάλλεται καθημερινά με την μορφή ούρων, ιδρώτα και κοπράνων. Η ισορροπία στο ισοζύγιο του νερού επιτυγχάνεται κυρίως με τρία ρυθμιστικά συστήματα, που είναι:

1. Το αίσθημα της δίψας, που οδηγεί στην λήψη νερού2. Η δράση των νεφρών, που οδηγεί στην αποβολή σημαντικής ποσότητας

νερού μαζί με άλατα και άλλες περιττές υδατοδιαλυτές ουσίες3. Η εφίδρωση, όπου και πάλι αποβάλλεται νερό και άλλες ουσίες

Οι σημαντικότεροι λόγοι που καθιστούν το νερό τόσο απαραίτητο στοιχείο της ζωής είναι ακριβώς οι φυσικοχημικές του ιδιότητες που αποτελούν απόρροια της πολικότητας και της ικανότητας των μορίων του να συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Αναλυτικότερα οι φυσικοχημικές του αυτές ιδιότητες είναι:

1. Η μεγάλη διαλυτική ικανότητα. 2. Η μεγάλη αντίσταση σε θερμικές μεταβολές, (μεγαλύτερη από κάθε υγρό). 3. Η ανάπτυξη ισχυρών δυνάμεων συνοχής και συνάφειας. 4. Η μεγάλη πυκνότητα σε υγρή μορφή απ’ότι σε στερεή. 5. Η αντιστρεπτή διάσταση του νερού σε κατιόντα υδρογόνου και ανιόντα

υδροξυλίου.

Με βάση την ικανότητα του νερού να αυτοιονίζεται, μπορεί να χαρακτηριστεί και ως οξύ αλλά και ως βάση (Θεωρία Arrhenius) και με βάση αυτή του την ιδιότητα εμπίπτει στην κατηγορία των επαμφοτερίζουσων ενώσεων (αμφολύτες) όπως και τα αμινοξέα (αναλυτικά στο κεφάλαιο των Πρωτεϊνών).

ΠρωτεΐνεςΟι πρωτεΐνες είναι ουσίες με πρωταρχικό ρόλο στην ζωή, όπως άλλωστε

υποδηλώνει και η ονομασία τους. Αποτελούν απαραίτητο στοιχείο για κάθε ζωντανό οργανισμό. Οι πρωτεΐνες λέγονται και λευκώματα λόγω του λευκού χρώματος της πλειοψηφίας τους που γίνεται εμφανές κυρίως σε καταστάσεις μετουσίωσης (δημιουργία λευκού ιζήματος). Το δομικό συστατικό των πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα.

Χημική Δομή και Ταξινόμηση Αμινοξέων

Τα αμινοξέα όπως δείχνει και η ονομασία τους έχουν δύο λειτουργικές ομάδες, την βασική αμινομάδα (-NH2) και την όξινη καρβοξυλομάδα (-COOH ή ). Ο γενικός τύπος ενός αμινοξέος φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3. Ο γενικός τύπος των αμινοξέωνΤο R συμβολίζει διαφορετικές ομάδες, που μπορούν να συνδεθούν με τον

κεντρικό άτομο άνθρακα του αμινοξέος, και είναι αυτή η πλευρική αλυσίδα που διαφοροποιεί το ένα αμινοξύ από το άλλο. Όταν η ομάδα R είναι ένα άτομο υδρογόνου, που είναι η απλούστερη περίπτωση, τότε το αμινοξύ είναι η γλυκίνη. Με

5

εξαίρεση την γλυκίνη σε όλα τα άλλα αμινοξέα το κεντρικό άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερεις διαφορετικές ομάδες (υποκαταστάτες) με αποτέλεσμα α) τα αμινοξέα να μην έχουν επίπεδο συμμετρίας β) ο κεντρικός άνθρακας να αποτελεί στερεογονικό κέντρο και γ) τα αμινοξέα να συναντώνται ως ζεύγη μη ταυτόσημων εναντιομερών, που το ένα κατοπτρικό είδωλο του άλλου (χειρόμορφα μόρια). Τα εναντιομερή έχουν τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με εξαίρεση την κατεύθυνση προς την οποία στρέφουν το πολωμένο φως. Έτσι τα αμινοξέα, με εξαίρεση την γλυκίνη, συναντώνται σε D (“Dextro”= δεξιά) και L ( “Left” = αριστερά) μορφή. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο ανθρώπινος οργανισμός μπορεί να συνθέσει και να πέψει μόνο L αμινοξέα, και μόνο τέτοια αμινοξέα συναντώνται στις φυσικής προέλευσης πρωτεΐνες.

Στον ανθρώπινο οργανισμό υπάρχουν 20 αμινοξέα που μπορούν να ταξινομηθούν περαιτέρω ως ουδέτερα, όξινα ή βασικά ανάλογα με την δομή της πλευρικής τους αλυσίδας (R). Δεκαπέντε από τα είκοσι αμινοξέα έχουν ουδέτερες πλευρικές αλυσίδες, δύο διαθέτουν μια επιπλέον καρβοξυλική ομάδα (ασπαραγινικό οξύ και γλουταμινικό οξύ), ενώ τρία φέρουν στις πλευρικές αλυσίδες βασικές αμινομάδες (λυσίνη, αργινίνη και ιστιδίνη) Πίνακας 1.

Πίνακας 1

Ουδέτερα αμινοξέα Όξινα αμινοξέα Βασικά αμινοξέαΑλανίνη Ασπαραγινικό οξύ Αργινίνη

Ασπαραγίνη Γλουταμινικό οξύ ΙστιδίνηΚυστεΐνη Λυσίνη

ΓλουταμίνηΓλυκίνηΛευκίνη

ΙσολευκίνηΜεθειονίνη

ΦαινυλαλανίνηΠρολίνηΣερίνη

ΘρεονίνηΘρυπτοφάνη

ΤυροσίνηΒαλίνη

Ανάλογα με την πολικότητα της ομάδας R τα αμινοξέα χαρακτηρίζονται: α) αμινοξέα με μη πολικές ή υδρόφοβες ομάδες (π.χ. αλανίνη, βαλίνη), β) αμινοξέα με πολικές αλλά όχι ιονιζόμενες ομάδες (π.χ. σερίνη, κυστεΐνη),γ) αμινοξέα με πολικές και ιονιζόμενες ομάδες (ασπαραγινικό οξύ,

γλουταμινικό οξύ, αργινίνη, λυσίνη)

Και τα 20 αμινοξέα που συναντώνται στον ανθρώπινο οργανισμό μετέχουν στην σύνθεση πρωτεϊνών, όμως μόνο 10 από αυτά μπορούμε να τα βιοσυνθέσουμε. Τα υπόλοιπα 10 αμινοξέα, που δεν βιοσυνθέτονται από τον άνθρωπο, ονομάζονται απαραίτητα αμινοξέα, γιατί ο οργανισμός πρέπει να τα αποκτήσει με την διατροφή. Τα απαραίτητα αμινοξέα είναι: λυσίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, βαλίνη, φαινυλαλανίνη, θρεονίνη, μεθειονίνη και τρυπτοφάνη. Αν και η ιστιδίνη και η αργινίνη δεν ανήκουν στα απαραίτητα αμινοξέα, επειδή η πορεία βιοσύνθεση τους είναι πολύπλοκη και αργή είναι σημαντικό να λαμβάνονται σε σημαντικά ποσά και μέσω της τροφής και συχνά ονομάζονται ημιαπαραίτητα αμινοξέα.

6

Χημικές Ιδιότητες Αμινοξέων Αμφολυτικός Χαρακτήρας

Τα αμινοξέα μπορούν να εμφανίσουν τόσο τον όξινο όσο και τον βασικό χαρακτήρα για αυτό και χαρακτηρίζονται ως αμφολύτες. Συγκεκριμένα, τα αμινοξέα λόγω της αμινομάδας (-NH2) που έχουν μπορούν να παρουσιάσουν βασικό χαρακτήρα και αντίστοιχα λόγω της καρβοξυλομάδας (-COOH) εμφανίζουν και όξινο χαρακτήρα. Το πώς θα δράσει ένα αμινοξύ, ως οξύ ή βάση, εξαρτάται από το pH του διαλύματος στο οποίο βρίσκεται. Σε υδατικό διάλυμα τα αμινοξέα μπορούν να βρεθούν σε τρεις διαφορετικές μορφές (Σχήμα 4), που είναι οι εξής :

Ουδέτερη (μορφή Ι) Θετικά φορτισμένη (μορφή ΙΙ) Αρνητικά φορτισμένη (μορφή ΙΙΙ)

Σχήμα 4. Οι μορφές ενός αμινοξέος σε υδατικό διάλυμα

Το αν τα αμινοξέα θα βρεθούν στις καταστάσεις Ι και ΙΙ ή στις καταστάσεις Ι και ΙΙΙ εξαρτάται από το pH του διαλύματος. Η τιμή του pH στην οποία παρατηρείται σχεδόν εξολοκλήρου η ουδέτερη μορφή ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο (pI) και σε αυτή την τιμή pH το αμινοξύ δεν εμφανίζει συνολικό φορτίο, ενώ παρουσιάζει και την ελάχιστη διαλυτότητα.

Πεπτιδικός Δεσμός

Μια άλλη ιδιότητα που έχουν τα αμινοξέα είναι η δυνατότητα να αντιδρούν μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, η αμινομάδα ενός αμινοξέος μπορεί να αντιδράσει με την καρβοξυλομάδα ενός άλλου αμινοξέος σχηματίζοντας ένα διπεπτίδιο με την αποβολή ενός μορίου νερού (1). Ο δεσμός που σχηματίζεται ονομάζεται πεπτιδικός δεσμός ( ( ).

Το σχηματιζόμενο διπεπτίδιο εξακολουθεί να έχει μια ελεύθερη αμινομάδα και μια ελεύθερη καρβοξυλομάδα, πράγμα που σημαίνει ότι η αμινομάδα του διπεπτιδίου αυτού μπορεί να αντιδράσει με την καρβοξυλομάδα ενός άλλου αμινοξέος ή αντίστοιχα η καρβοξυλομάδα του διπεπτιδίου μπορεί να αντιδράσει με την αμινομάδα ενός άλλου αμινοξέος. Αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός ενός τριπεπτιδίου που μπορεί αν συνεχίσει η δημιουργία πεπτιδικών δεσμών να οδηγήσει στην σύνθεση πολυπεπτιδίου. Αν το πολυπεπτίδιο αποτελείται από 100 και πλέον αμινοξέα συνδεδεμένα με πεπτιδικό δεσμό τότε χαρακτηρίζεται ως πρωτεΐνη.

7

Γενικά για τις Πρωτεΐνες

Οι πρωτεΐνες με βάση την λειτουργία τους εμπίπτουν σε μια από τις παρακάτω κατηγορίες :

1. Δομικά συστατικά των κυττάρων (π.χ. μυοσίνη, ακτίνη στον μυϊκό ιστό, κολλαγόνο ως συστατικό των συνδέσμων των οστών)

2. Ορμονική δράση (ινσουλίνη και γλυκαγόνη είναι πρωτεϊνικής φύσης ορμόνες που ρυθμίζουν τα επίπεδα της γλυκόζης στο αίμα)

3. Μεταφορική δράση (π.χ. αιμοσφαιρίνη, μεταφέρει οξυγόνο στο αίμα)4. Αποθηκευτικός ρόλος (π.χ. καζεΐνη, πρωτεΐνη του γάλακτος που

αποθηκεύει ασβέστιο)5. Υποδοχείς (π.χ. γλυκοπρωτεΐνες, αναγνωρίζουν συστατικά και

επιτρέπουν την εκλεκτική τους είσοδο στο εσωτερικό του κυττάρου)6. Ένζυμα, καταλύουν τις σημαντικότερες αντιδράσεις στο εσωτερικό ενός

κυττάρου7. Αμυντική δράση, τα αντισώματα είναι πρωτεϊνικής φύσης μόρια, και

λειτουργούν προστατεύοντας τον οργανισμό από τους αντιγονικούς “εισβολείς”

Τις πρωτεΐνες με βάση τα προϊόντα υδρόλυσης τους, τις διακρίνουμε σε:α. Απλές πρωτεΐνες, όταν το προϊόν της υδρόλυσης είναι αποκλειστικά και μόνο αμινοξέαβ. Σύνθετες πρωτεΐνες, που αποτελούνται από απλές πρωτεΐνες και από μια ομάδα μη πρωτεϊνικής φύσης που απελευθερώνεται κατά την υδρόλυση. Σε αυτές κατατάσσονται: οι νουκλεοπρωτεΐνες (που περιέχουν κάποιο νουκλεϊκό οξύ), οι μεταλλοπρωτεΐνες (που περιέχουν κάποιο μεταλλικό ιόν, τα περισσότερα ένζυμα ανήκουν σε αυτή την κατηγορία), γλυκοπρωτεΐνες (περιέχουν κάποιο σάκχαρο ή υδατάνθρακα) και λιποπρωτεΐνες (περιέχουν κάποιο λιπίδιο).

Δομή ΠρωτεϊνώνΗ μελέτη της δομής μιας πρωτεΐνης γίνεται σε τέσσερα επίπεδα και

περιλαμβάνει την πρωτοταγή, δευτεροταγή, τριτοταγή και τεταρτοταγή δομή (Σχήμα 5).

Πρωτοταγής δομήΓια να χαρακτηριστεί μια πρωτεΐνη ή ένα πεπτίδιο δεν αρκεί να γνωρίζουμε

μόνο από πόσα και ποια αμινοξέα αποτελείται πρέπει να γνωρίζουμε και την σειρά με την οποία είναι συνδεδεμένα τα αμινοξέα που την αποτελούν. Η αλληλουχία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης αποτελεί την πρωτοταγή της δομή και αποτελεί την ταυτότητα της πρωτεΐνης. Κατά την βιοσύνθεση τους όλες οι πρωτεΐνες συνθέτονται με αρχικό αμινοξύ την μεθειονίνη αλλά κατά την ωρίμανσή τους στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό αποκόπτεται. Πρωτεΐνες με ομοιότητα ως προς την πρωτοταγή τους δομή παρουσιάζουν συνήθως και ομοιότητες ως προς την τριτοταγή τους διαμόρφωση και ως προς την λειτουργία τους. Θα πρέπει επίσης να γνωρίζουμε ότι μια πρωτεΐνη μπορεί να αποτελείται από μία ή περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η ινσουλίνη που αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες και η αιμοσφαιρίνη που αποτελείται από τέσσερις πεπτιδικές αλυσίδες.

Δευτεροταγής δομή

8

Η αλυσίδα των αμινοξέων που αποτελεί την πρωτεΐνη δεν είναι ευθεία αλλά πραγματοποιεί ορισμένες αναδιπλώσεις προσδίνοντας στο μόριο συγκεκριμένο σχήμα στο χώρο. Οι αναδιπλώσεις αυτές δεν είναι τυχαίες αλλά εξαρτώνται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Οι αναδιπλώσεις στα διάφορα τμήματα μιας πρωτεΐνης είναι η δευτεροταγή της δομή. Οι δυνάμεις που συγκρατούν τις δευτεροταγής δομές είναι οι δεσμοί υδρογόνου και οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Δύο μορφές δευτεροταγής δομής συναντάμε στις πρωτεΐνες την μορφή α-έλικας και την μορφή β-πτυχωτού φύλλου.

Τριτοταγής δομήΤο αμέσως επόμενο επίπεδο διαμόρφωσης της δομής μιας πρωτεΐνης είναι η

τριτοταγής δομή που αναφέρεται στην αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας πάνω στον εαυτό της δίνοντας το τελικό της σχήμα στο χώρο. Στην τριτοταγή δομή σημαντικό ρόλο παίζουν οι ομάδες R και συμβάλλουν διάφοροι δεσμοί όπως : α) δεσμοί υδρογόνου, β) ηλεκτροστατικές έλξεις μεταξύ αντίθετα φορτισμένων ομάδων, γ) υδρόφοβοι δεσμοί που δημιουργούνται μεταξύ υδρόφοβων ομάδων, όταν η μία πλησιάζει την άλλη δ) δυνάμεις Van der Waals μεταξύ μη πολικών ομάδων και ε) ομοιοπολικοί δισουλφιδικοί δεσμοί, που είναι δεσμοί μεταξύ ατόμων S δύο κυστεϊνών.

Τεταρτοταγής δομήΠολλές πρωτεΐνες, όπως η αιμοσφαιρίνη, αποτελούνται από περισσότερες από

μια πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Η διάταξη αυτών των αλυσίδων, της μιας ως προς την άλλη, δεν είναι τυχαία αλλά σαφώς καθορισμένη και επαναλαμβανόμενη από μόριο σε μόριο. Αυτές οι σχέσεις στο χώρο των διαφόρων πολυπεπτιδικών αλυσίδων ενός πρωτεϊνικού μορίου αποτελούν την τεταρτοταγή διαμόρφωση της πρωτεΐνης. Στην διαμόρφωση αυτή δεν μετέχουν ομοιοπολικοί δεσμοί αλλά μόνο δευτερεύοντες αλληλεπιδράσεις.

Σχήμα 5. Σχηματική αναπαράσταση των δομών μιας πρωτεΐνης

Φυσικοχημικές Ιδιότητες ΠρωτεϊνώνΔιαλυτότητα

Η διαλυτότητα των πρωτεϊνών στο νερό ποικίλει. Άλλες πρωτεΐνες είναι ευδιάλυτες στο νερό όπως οι αλβουμίνες (πρωτεΐνες του αίματος) και άλλες εντελώς αδιάλυτες όπως οι κερατίνες.

Ισοηλεκτρικό Σημείο

9

Όπως τα αμινοξέα έτσι και τα πεπτίδια και οι πρωτεΐνες, επειδή περιέχουν αμινομάδα και καρβοξυλομάδα είναι αμφολύτες γιατί εμφανίζουν τόσο τον όξινο όσο και τον βασικό χαρακτήρα. Για κάθε πρωτεΐνη υπάρχει ένα χαρακτηριστικό ισοηλεκτρικό σημείο (pI) στο οποίο η πρωτεΐνη εμφανίζεται ως δίπολο με συνολικό φορτίο μηδέν. Σε pH=pI η πρωτεΐνη, μη έχοντας ηλεκτρικό φορτίο, δεν κινείται σε ηλεκτρικό πεδίο.

Υδρόλυση Οι πρωτεΐνες, όπως και τα πεπτίδια, μπορούν να υδρολυθούν διασπώντας τον

πεπτιδικό δεσμό. Από την υδρόλυση των πρωτεϊνών σχηματίζονται πεπτίδια ή και αμινοξέα. Η υδρόλυση μπορεί να γίνει α) με βρασμό της πρωτεΐνης παρουσία βάσεων ή οξέων (χημική υδρόλυση) β)με κατεργασία με κατάλληλα ένζυμα γνωστά ως πρωτεολυτικά ένζυμα ή πεπτιδάσες ή πρωτεάσες (ενζυμική υδρόλυση).

Μετουσίωση Πρωτεϊνών Από τις δομές των πρωτεϊνών μόνο η πρωτοταγής στηρίζεται αποκλειστικά σε

ισχυρούς δεσμούς (ομοιοπολικοί δεσμοί). Αντίθετα, η δευτεροταγής, η τριτοταγής και η τεταρτοταγής δομή στηρίζονται σε ασθενέστερους δεσμούς και σχετικά ευμετάβλητους στη θερμοκρασία και το pH δεσμούς. Αυτό έχει ως συνέπεια μεταβολές στο pH ή στην θερμοκρασία να οδηγούν σε λύση τέτοιων δεσμών και τροποποίηση των ανώτερων δομών των πρωτεϊνών, με εξαίρεση την πρωτοταγή δομή. Το φαινόμενο αυτό λέγεται μετουσίωση. Η στερεοποίηση των πρωτεϊνών του αυγού με το βράσιμο ή το «κόψιμο» του γάλακτος με την προσθήκη οξέων οφείλεται σε μετουσίωση των πρωτεϊνών.

Ένζυμα

Μέσα στο κύτταρο γίνονται συνεχώς πολυάριθμες χημικές αντιδράσεις. Όλες αυτές οι αντιδράσεις γίνονται μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα και χωρίς η θερμοκρασία του κυττάρου να ξεπεράσει τους 37°C. Πολύτιμη βοήθεια για την διεξαγωγή αυτών των αντιδράσεων δίνουν οι βιολογικοί καταλύτες, τα ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικής φύσεως μόρια που μπορεί να είναι ενωμένα και με άλλες μη πρωτεϊνικές ουσίες. Επιταχύνουν τις αντιδράσεις μέσα στο κύτταρο μειώνοντας την ενέργεια που απαιτείται για την πραγματοποίηση τους χωρίς να χρειαστεί αύξηση της θερμοκρασίας. Μετά το τέλος της αντίδρασης τα ένζυμα παραμένουν αναλλοίωτα, έτοιμα να καταλύσουν την ίδια αντίδραση ξανά. Αυτός είναι και ο λόγος που τα ένζυμα συναντώνται μέσα στα κύτταρα σε πολύ μικρές ποσότητες. Τα ένζυμα παρουσιάζουν εξειδίκευση ως προς τις αντιδράσεις που καταλύουν και διακρίνονται σε ένζυμα με χαμηλή, μέτρια και υψηλή εξειδίκευση. Τα ένζυμα με υψηλή εξειδίκευση καταλύουν μόνο μια αντίδραση. Με βάση την αντίδραση που καταλύουν τα ένζυμα χωρίζονται σε 6 μεγάλες κατηγορίες.

1. Οξειδοαναγωγάσες ή οξειδορεδουκτάσες είναι ένζυμα που καταλύουν την οξείδωση ή αναγωγή του υποστρώματος

2. Τρανσφεράσες είναι ένζυμα που καταλύουν τη μεταφορά ομάδων από μια ουσία σε άλλη

3. Υδρολάσες είναι ένζυμα που καταλύουν την υδρόλυση του υποστρώματος

4. Λυάσες είναι ένζυμα που καταλύουν είτε την μη υδρολυτική αφαίρεση ομάδων από το υπόστρωμα με αποτέλεσμα τη δημιουργία διπλών δεσμών είτε την προσθήκη ομάδων σε διπλούς δεσμούς

10

5. Ισομεράσες είναι ένζυμα που καταλύουν ενδομοριακές μεταβολές στο υπόστρωμα

6. Λιγάσες είναι ένζυμα που καταλύουν τη σύνθεση ουσιών από απλούστερα μόρια

Πολλά ένζυμα για να δράσουν χρειάζονται και ένα πρόσθετο μη πρωτεϊνικό τμήμα. Το μη πρωτεϊνικό αυτό τμήμα μπορεί να είναι ένα μεταλλικό ιόν ή ένα μικρό οργανικό μόριο. Στη δεύτερη περίπτωση το τμήμα αυτό του ενζύμου ονομάζεται συνένζυμο.

Σε μία αντίδραση που καταλύεται από ένα ένζυμο το αντιδρών ονομάζεται υπόστρωμα (S, substrate). Για να μετατραπεί ένα υπόστρωμα σε προϊόν (P, product) πρέπει να περάσει από μια ενδιάμεση κατάσταση υψηλής ενέργειας, και το δύσκολο αυτό βήμα επιταχύνει το κατάλληλο ένζυμο. Το βασικό βήμα στην ενζυμική κατάλυση είναι η σύνδεση ενζύμου-υποστρώματος. Η περιοχή πρόσδεσης του υποστρώματος στο ένζυμο είναι εξειδικευμένη και ονομάζεται ενεργό κέντρο. Η πρόσδεση μπορεί να γίνει με ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, δεσμούς υδρογόνου και δυνάμεις Van der Waals. Το ενεργό κέντρο μπορούμε να το φανταστούμε σαν μία εσοχή στην οποία προσδένεται το υπόστρωμα, του οποίου το σχήμα ταιριάζει με το σχήμα της εσοχής.

Ταχύτητα Ενζυμικών Αντιδράσεων – Κινητική ΜελέτηΟι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων είναι:

Το pH, η θερμοκρασία, η συγκέντρωση του ενζύμου, η συγκέντρωση του υποστρώματος.

Τα περισσότερα ένζυμα λειτουργούν άριστα σε ένα συγκεκριμένο pH. Σε τιμές pH μακριά από αυτή την περιοχή τα ένζυμα όπως και όλες οι πρωτεΐνες αποδιατάσσονται και χάνουν την βιολογική τους δράση. Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα των περισσότερων αντιδράσεων, πέραν όμως κάποιων συγκεκριμένων ορίων τα ένζυμα μετουσιώνονται. Η ταχύτητα της αντίδρασης τις περισσότερες φορές αυξάνει όσο αυξάνει και η συγκέντρωση του ενζύμου ενώ η συγκέντρωση του υποστρώματος σχετίζεται με την ταχύτητα της αντίδρασης όπως υποδεικνύει η κινητική μελέτη των ενζυμικών αντιδράσεων.

Με τον όρο κινητική εννοούμε την μελέτη της ταχύτητας μιας αντίδρασης που καταλύεται από ένα ένζυμο. Ως ταχύτητα της αντίδρασης ορίζεται η μεταβολή της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην μονάδα του χρόνου. Αν υποθέσουμε ότι σε μια σειρά πειραμάτων κρατάμε σταθερά την συγκέντρωση του ενζύμου, το pH, την θερμοκρασία και τον χρόνο, και μεταβάλλουμε μόνο την συγκέντρωση του υποστρώματος μετρώντας την ταχύτητα της μετατροπής του σε προϊόν τότε τα συμπεράσματα που προκύπτουν περιγράφονται από το διάγραμμα του σχήματος 6. Στο διάγραμμα αυτό στον άξονα Y καταγράφεται η ταχύτητα της αντίδρασης ενώ στον άξονα X η συγκέντρωση του υποστρώματος.

11

Σχήμα 6. Διάγραμμα της ταχύτητας V μιας ενζυμικής αντίδρασης σε συνάρτηση με την συγκέντρωση του υποστρώματος [S]

Όπως φανερώνει το διάγραμμα σε μικρές συγκεντρώσεις υποστρώματος η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από την συγκέντρωση αυτή, ενώ σε υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος η ταχύτητα φτάνει σε μια μέγιστη τιμή (vmax) και μετά δεν αυξάνεται (κορεσμός ενζύμου). Αυτό οφείλεται στο ότι από μια συγκέντρωση υποστρώματος και πάνω όλα τα μόρια ενζύμου είναι δεσμευμένα με υπόστρωμα και όσο και αν αυξηθεί η συγκέντρωση του υποστρώματος δεν αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης.

Μελετώντας τα χαρακτηριστικά της καμπύλης οι Michaelis και Menten ανέπτυξαν την παρακάτω σχέση που έμεινε γνωστή ως εξίσωση Michaelis-Menten

Όπου V η ταχύτητα της αντίδρασης, Vmax η μέγιστη ταχύτητα, [S] η συγκέντρωση του υποστρώματος και Km μια σταθερά γνωστή ως σταθερά Michaelis. Σύμφωνα με την εξίσωση Michaelis-Menten, η Km ισούται με την συγκέντρωση του υποστρώματος όταν η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης είναι η μισή της μέγιστης. Οι Km και Vmax είναι οι δύο σταθερές που χαρακτηρίζουν μια ενζυμική αντίδραση. Πιο συγκεκριμένα,

Η Km μας πληροφορεί για τον βαθμό συγγένειας ενζύμου-υποστρώματος. Όσο μικρότερη είναι η τιμή της Km τόσο μεγαλύτερη η συγγένεια ενζύμου υποστρώματος.

Η Vmax μας πληροφορεί για το πόσα μόρια υποστρώματος μετατρέπονται σε προϊόν σε κάθε λεπτό από ένα μόριο ενζύμου

Αναστολείς ΕνζύμωνΗ δράση ενός ενζύμου μπορεί να μειωθεί παρουσία ορισμένων ουσιών που

ονομάζονται αναστολείς. Η δράση ενός αναστολέα μπορεί να είναι είτε αντιστρεπτή είτε μόνιμη ανάλογα με τον αν επανέρχεται ή όχι η δράση του ενζύμου μετά την απομάκρυνση του αναστολέα. Ένας αντιστρεπτός αναστολέας μπορεί να δρα ως συναγωνιστικός ή μη συναγωνιστικός αναστολέας. Ένας συναγωνιστικός αναστολέας προσομοιάζει στην δομή με το υπόστρωμα και προσδένεται επίσης στο ενεργό κέντρο με αποτέλεσμα να παρεμποδίζει την πρόσδεση του υποστρώματος. Αντίθετα ο μη συναγωνιστικός αναστολέας προσδένεται σε μια περιοχή διαφορετική από το ενεργό κέντρο με αποτέλεσμα να τροποποιείται η συνολική δομή του ενζύμου και να μην μπορεί να δεσμευτεί αποτελεσματικά και πάλι το υπόστρωμα. Σε αυτή την περίπτωση δεν είναι υποχρεωτικό ο μη συναγωνιστικός αναστολέας να έχει παραπλήσια δομή με το υπόστρωμα μιας και δεσμεύονται σε διαφορετικές περιοχές του ενζύμου.

V=Vmax [S]

Km + [S]

12

ΙσοένζυμαΥπάρχουν ένζυμα που καταλύουν την ίδια αντίδραση αλλά μπορεί να

διαφέρουν τόσο στην πρωτοταγή τους δομή όσο και σε ορισμένες φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Αυτά τα ένζυμα ονομάζονται ισοένζυμα και είναι προϊόντα διαφορετικών γονιδίων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι τα τρία ισοένζυμα της κινάσης της κρεατίνης και τα πέντε ισοένζυμα της γαλακτικής αφυδρογονάσης.

Συνένζυμα και Προσθετικές ΟμάδεςΠολλά ένζυμα για να δράσουν χρειάζονται ένα μικρό οργανικό μόριο που

ονομάζεται συνένζυμο. Τα συνένζυμα είναι οργανικές ενώσεις χαλαρά δεμένες στο ένζυμο, οι οποίες απομακρύνονται εύκολα. Σχεδόν όλα τα συνένζυμα περιέχουν στο μόριο τους φωσφορικό οξύ, και σχετίζονται με τις βιταμίνες.

Πολλές φορές ως συνώνυμη έννοια για το συνένζυμο χρησιμοποιείται ο όρος προσθετική ομάδα αν και υπάρχουν κάποιες διαφορές. Οι προσθετικές ομάδες είναι επίσης οργανικές ενώσεις αλλά πολύ ισχυρά δεσμευμένες πάνω στα ένζυμα και δεν μπορούν να απομακρυνθούν. Παράδειγμα προσθετικής ομάδας είναι το μόριο της αίμης.

Υδατάνθρακες

Τα σάκχαρα είναι μια από τις βασικές ομάδες βιομορίων και αποτελούν την πιο σημαντική πηγή ενέργειας για τους ζωντανούς οργανισμούς. Τα σάκχαρα είναι χημικές ενώσεις του άνθρακα που περιέχουν υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία 2/1 όπως στο νερό και για αυτό ονομάζονται και υδατάνθρακες. Τα σάκχαρα ανάλογα με τα προϊόντα υδρόλυσης τους διακρίνονται σε απλά σάκχαρα ή μονοσακχαρίτες, όταν δεν διασπώνται σε απλούστερες μορφές και σε ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες, όταν κατά την υδρόλυση τους αποδίδουν λίγα ή πολλά απλά σάκχαρα.

Οι μονοσακχαρίτες αποτελούνται από 3-6 άτομα άνθρακα και ονομάζονται αντίστοιχα τριόζες, τετρόζες, πεντόζες και εξόζες. Κάποια από τα πιο γνωστά σάκχαρα ανήκουν στην κατηγορία των εξοζών (γλυκόζη, φρουκτόζη, γαλακτόζη) ενώ η ριβόζη είναι μια από τις πιο γνωστές πεντόζες.

Ιδιότητες των ΣακχάρωνΟι μονοσακχαρίτες διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν γλυκιά γεύση. Στο

νερό εμφανίζονται σαν κυκλικές ενώσεις και οφείλουν τις ιδιότητες τους στα πολλά υδροξύλια που διαθέτουν.

Αναγωγικός χαρακτήραςΟι μονοσακχαρίτες έχουν αναγωγική δράση και επομένως αντιδρούν με ήπια

οξειδωτικά μέσα όπως είναι το αντιδραστήριο Fehling (διάλυμα CuSO4 σε ΝaOH) και το αντιδραστήριο Tollen (διάλυμα AgNO3 σε NH3). Οι αντιδράσεις αυτές χρησιμοποιούνται και για την ανίχνευση των σακχάρων σε ένα διάλυμα.

Γλυκοζιτικός δεσμόςΜεταξύ δύο σακχάρων είναι δυνατόν να αποσπαστεί ένα μόριο νερού από τα

υδροξύλια τους με αποτέλεσμα να συνδεθούν με γλυκοζιτικό δεσμό. Η ένωση που σχηματίζεται ονομάζεται γενικά γλυκοζίτης ή πιο εξειδικευμένα δισακχαρίτης. Οι γλυκοζίτες διασπώνται σε σάκχαρα παρουσία οξέων (όξινη υδρόλυση) ή με την βοήθεια ενζύμων (γλυκοσιδάσες).

13

ΜονοσακχαρίτεςΤα απλά σάκχαρα ανάλογα με το πόσα άτομα άνθρακα διαθέτουν διακρίνονται

σε πεντόζες και εξόζες. Οι πιο γνωστές πεντόζες είναι η ξυλόζη, η αραβινόζη και η ριβόζη. Στις εξόζες ανήκουν κάποια από τα πιο γνωστά σάκχαρα όπως η γλυκόζη, η φρουκτόζη, η γαλακτόζη και η μαννόζη.

Η D-γλυκόζη απαντάται στην φύση ελεύθερη είτε ως συστατικό ολιγοσακχαριτών και πολυσακχαριτών. Βιομηχανικά παρασκευάζεται από την υδρόλυση του αμύλου. Είναι μια από τις κύριες πηγές ενέργειας για τους περισσότερους ζωντανούς οργανισμούς μέσω του καταβολισμού της (γλυκόλυση), Σχήμα 7.

Σχήμα 7. Στερεοχημική δομή της γλυκόζηςΗ D-φρουκτόζη απαντάται στο μέλι και τα φρούτα, ενώ η D-γαλακτόζη στα

σταφύλια και τις ελιές και παραλαμβάνεται με την υδρόλυση της λακτόζης. Η D-μαννόζη βρίσκεται στα εσπεριδοειδή.

ΟλιγοσακχαρίτεςΟι ολιγοσακχαρίτες αποτελούνται από μικρό αριθμό σακχάρων που συνδέονται

με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Οι σημαντικότεροι ολιγοσακχαρίτες είναι δισακχαρίτες, αποδίδουν δύο μόρια σακχάρων κατά την υδρόλυσή τους. Στην συνέχεια δίνονται κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα.

Σακχαρόζη ή καλαμοσάκχαρο ή ζάχαρη. Η σακχαρόζη είναι ο πιο δεδομένος δισακχαρίτης και δημιουργείται από την συνένωση ενός μορίου γλυκόζης και ενός μορίου φρουκτόζης.

Μαλτόζη. Η μαλτόζη σχηματίζεται από την ένωση δυο μορίων γλυκόζης με γλυκοζιτικό δεσμό και είναι προϊόν της μερικής υδρόλυσης του αμύλου.

Λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο. Η λακτόζη είναι ο δισακχαρίτης που συνανταται σε μεγαλύτερο ποσοστό στο γάλα των θηλαστικών. Προέρχεται από την συνένωση ενός μορίου γλυκόζης και ενός μορίου γαλακτόζης.

ΠολυσακχαρίτεςΤο μόριο των πολυσακχαριτών αποτελείται από μεγάλο αριθμό

μονοσακχαριτών που συνδέονται με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Με την υδρόλυση τους οι πολυσακχαρίτες απελευθερώνουν αρχικά ολιγοσακχαρίτες και στην συνέχεια μονοσακχαρίτες. Οι σημαντικότεροι πολυσακχαρίτες είναι το γλυκογόνο, το άμυλο και η κυτταρίνη.

Γλυκογόνο. Το γλυκογόνο αποτελεί την κύρια μορφή αποθήκευσης ενέργειας στα ζωικά κύτταρα. Είναι ένα μεγάλο διακλαδισμένο πολυμερές που αποτελείται από μόρια γλυκόζης ενωμένα με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Ιστοί πλούσιοι σε γλυκογόνο είναι οι σκελετικοί μυς και το ήπαρ σε αντίθεση με το εγκέφαλο και τον καρδιακό μυ που δεν διαθέτουν γλυκογόνο. Το γλυκογόνο βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα με την μορφή κόκκων διαμέτρου 100-400Å που περιέχουν τα ένζυμα τα οποία καταλύουν την σύνθεση και την αποικοδόμηση του γλυκογόνου. Ο μεγάλος αριθμός των

14

διακλαδώσεων του γλυκογόνου βοηθά στην ταυτόχρονη απελευθέρωση μορίων γλυκόζης όταν οι ανάγκες του οργανισμού για ενέργεια είναι μεγάλες.

Άμυλο. Το άμυλο είναι ένας πολυσακχαρίτης που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες γλυκόζης. Είναι η κύρια μορφή αποθήκευσης ενέργειας των φυτών και βρίσκεται σε μεγάλη ποσότητα στα σπέρματα (δημητριακά) και τους βολβούς (πατάτα). Εμφανίζεται με δύο μορφές, την αμυλόζη και την αμυλοπηκτίνη. Η αμυλόζη αποτελεί το 20-30% του αμύλου και σχηματίζεται από μονάδες γλυκόζης γραμμικά διατεταγμένες, ενώ η αμυλοπηκτίνη αποτελεί το υπόλοιπο ποσοστό του αμύλου και εμφανίζει διακλαδώσεις ανά περίπου 25 μόρια γλυκόζης. Η δομή της αμυλοπηκτίνης προσομοιάζει με αυτή του γλυκογόνου. Το σημαντικότερο πεπτικό ένζυμο που έχει ως υπόστρωμα το άμυλο είναι η αμυλάση που βρίσκεται στο σάλιο και το λεπτό έντερο.

Κυτταρίνη. Η κυτταρίνη είναι ένας πολυσακχαρίτης που αποτελείται από 8000-12000 επαναλαμβανόμενες μονάδες γλυκόζης. Συναντάται στα φυτά και αποτελεί δομικό συστατικό τους. Τα ένζυμα που διασπούν την κυτταρίνη ονομάζονται κυτταρινάσες και βρίσκονται στην μικροχλωρίδα του στομάχου των μηρυκαστικών αλλά όχι του ανθρώπου με αποτέλεσμα η κυτταρίνη να μην πέπτεται από τον άνθρωπο.

Χρωστικές Αντιδράσεις Πολυσακχαριτών Το άμυλο χρωματίζεται κυανό με την επίδραση διαλύματος I2 σε KI. Η χρώση

εξαφανίζεται με θέρμανση και επανέρχεται με την ψύξη. Η κυτταρίνη χρωματίζεται καστανοκίτρινη με επίδραση διαλύματος I2 ενώ με επίδραση διαλύματος I2 σε ZnCl2

και KI χρωματίζεται κυανή. Το γλυκογόνο χρωματίζεται ερυθρωπό με επίδραση διαλύματος I2.

Ο Ρόλος των ΥδατανθράκωνΤα σάκχαρα, σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, αποτελούν την κύρια πηγή

ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την καύση τους προς CO2 και νερό. Η καύση που απελευθερώνεται κατά την καύση 1g υδατάνθρακα είναι 4Kcal.

Οι υδατάνθρακες διαδραματίζουν ποικίλους ρόλους στον οργανισμό. Κατά πρώτον αποτελούν τα κυριότερα καύσιμα του οργανισμού. Το 50% περίπου των θερμίδων που λαμβάνει ο άνθρωπος προέρχεται από την καύση υδατανθράκων-σακχάρων. Η γλυκόζη, το σημαντικότερο ίσως σάκχαρο, είναι η μοναδική πηγή ενέργειας του εγκεφάλου και του κεντρικού νευρικού συστήματος. Επιπλέον η γλυκόζη αλλά και άλλα σάκχαρα αποτελούν την πρώτη ύλη για την βιοσύνθεση διαφόρων βιομορίων μεγάλης βιολογικής σημασίας όπως τα συνένζυμα, τα αμινοξέα και τα νουκλεϊκά οξέα. Η λακτόζη βοηθά στην απορρόφηση ασβεστίου.

Η περίσσεια υδατανθράκων αποθηκεύεται κατά κύριο λόγο στο συκώτι και δευτερευόντως στους μύς με την μορφή γλυκογόνου. Η ικανότητα όμως αυτή του οργανισμού είναι περιορισμένη. Για το λόγο αυτό αν ο οργανισμός δεν παραλάβει με την τροφή υδατάνθρακες για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από 6-7ώρες, αρχίζει η διαδικασία παραγωγής γλυκόζης από άλλα θρεπτικά συστατικά όπως πρωτεΐνες.

ΛιπίδιαΤαξινόμηση λιπιδίων

15

Τα λιπίδια είναι μια ετερογενής ομάδα χημικών ενώσεων που εμφανίζουν την ιδιότητα να είναι δυσδιάλυτες ή πολύ λίγο διαλυτές στο νερό (υδρόφοβες ενώσεις) και διαλυτές σε μη πολικούς διαλύτες όπως ο αιθέρας, το βενζόλιο και το χλωροφόρμιο. Τα λιπίδια μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ομάδες στα απλά και στα σύνθετα λιπίδια.

Τα απλά λιπίδια είναι εστέρες των λιπαρών οξέων με αλκοόλες. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα λίπη, που είναι εστέρες της γλυκερόλης με λιπαρά οξέα, και οι κήροι που είναι εστέρες αλκοολών με υψηλό μοριακό βάρος με λιπαρά οξέα.

Τα σύνθετα λιπίδια είναι εστέρες λιπαρών οξέων που εκτός από την αλκοόλη και το λιπαρό οξύ περιλαμβάνουν και άλλες ομάδες. Έτσι ανάλογα με την ομάδα αυτή διακρίνονται σε : Φωσφολιπίδια (περιέχουν φωσφορικό οξύ), γλυκολιπίδια (περιέχουν υδατάνθρακες) και λιποπρωτεΐνες (περιέχουν πρωτεΐνες).

Τα φωσφολιπίδια, σε αντίθεση με τα ουδέτερα λίπη που περιέχουν μόνο λιπόφιλες (υδρόφοβες) ομάδες και είναι επομένως αδιάλυτα στο νερό, περιέχουν και λιπόφιλες και λιπόφοβες (υδρόφιλες) ομάδες όπως την φωσφορική. Η ιδιότητα τους αυτή τα καθιστά πολύτιμα μόρια για την δομή των κυτταρικών μεμβρανών και παίζουν σημαντικό ρόλο στην επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων. Τα φωσφολιπίδια ανευρίσκονται σε όλα τα όργανα και κυρίως στον εγκέφαλο και στο νευρικό ιστό, συναντώνται επίσης στον κρόκο του αυγού, την σόγια. Το κυριότερο φωσφολιπίδιο είναι η λεκιθίνη, που αποτελείται από γλυκερόλη, δύο μόρια λιπαρού οξέος, φωσφορικό οξύ και μια αζωτούχο βάση, τη χολίνη.

Τα γλυκολιπίδια απαντώνται σε ιδιαίτερα μεγάλη συγκέντρωση στη φαιά ουσία του εγκεφάλου καθώς επίσης και σε άλλα όργανα κυρίως στις κυτταρικές επιφάνειες. Παίζουν σημαντικό ρόλο σε λειτουργίες όπως η μεταβίβαση σημάτων και η δέσμευση ιών.

Οι λιποπρωτεΐνες εντοπίζονται κυρίως στο πλάσμα του αίματος και έχουν ως σκοπό να μεταφέρουν δυσδιάλυτα στο νερό βιολογικά μόρια, όπως η χοληστερόλη και οι λιποδιαλυτές βιταμίνες (A, D, K, E), από όργανο σε όργανο μέσω του υδατικού περιβάλλοντος του αίματος.

Χημική δομή των λιπών

Τα λίπη από άποψη χημικής δομής ανήκουν στους εστέρες, και συγκεκριμένα είναι εστέρες της γλυκερόλης (γλυκερίνη) με διάφορα λιπαρά οξέα (Σχήμα 8). Η γλυκερόλη ως τρισθενής αλκοόλη μπορεί να εστεροποιήσει ένα, δύο ή και τα τρία υδροξύλια σχηματίζοντας μονοεστέρες, διεστέρες ή τριεστέρες αντίστοιχα. Οι ενώσεις που προκύπτουν είναι γνωστές ως μονογλυκερίδια, διγλυκερίδια και τριγλυκερίδια ή ουδέτερα λίπη. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα λιπαρά οξέα που εστεροποιούν τα υδροξύλια της γλυκερόλης μπορεί να είναι όμοια ή διαφορετικά επομένως και τα γλυκερίδια που προκύπτουν χαρακτηρίζονται ως απλά και μεικτά αντίστοιχα. Τα λίπη χαρακτηρίζονται και ως κορεσμένα ή ακόρεστα λαμβάνοντας υπόψη τη φύση των λιπαρών οξέων. Απουσία ακόρεστων δεσμών στα λιπαρά οξέα (παλμιτικό οξύ) που εστεροποιούν την γλυκερόλη έχει σαν αποτέλεσμα την σύνθεση κορεσμένων λιπών. Αντίθετα ακόρεστα λιπαρά οξέα όπως το ελαϊκό οξύ (1διπλός δεσμός) σχηματίζουν ακόρεστα λίπη.

16

Σχήμα 8. Σχηματισμός τριγλυκεριδίων

Τα λιπαρά οξέα μαζί με την γλυκερόλη (ή γλυκερίνη) αποτελούν τους δομικούς λίθους των περισσότερων λιπών, από τα οποία και τα παίρνουμε με υδρόλυση. Τα λιπαρά οξέα των φυσικών λιπών αποτελούνται από μια ευθεία αλυσίδα με άρτιο αριθμό ατόμων άνθρακα. Αν μεταξύ των ατόμων άνθρακα της αλυσίδας σχηματίζεται ένας διπλός δεσμός το οξύ λέγεται μονοακόρεστο. Αν στο μόριο του οξέος υπάρχουν δύο ή περισσότεροι διπλοί δεσμοί, το οξύ λέγεται πολυακόρεστο.

Ο οργανισμός δεν μπορεί να συνθέσει ορισμένα λιπαρά οξέα και για τον λόγο αυτό πρέπει να τα πάρει από τις τροφές. Η έλλειψη ορισμένων λιπαρών οξέων μπορεί να προκαλέσει λειτουργικές ανωμαλίες. Τα λιπαρά οξέα που ανήκουν στην μια ή και στις δυο παραπάνω κατηγορίες είναι γνωστά ως απαραίτητα ή ουσιώδη. Παράδειγμα απαραίτητου λιπαρού οξέος είναι το λινολικό οξύ που η έλλειψη του από την διατροφή των παιδιών δημιουργεί έκζεμα. Φαίνεται ότι το λινολικό οξύ παίζει σπουδαίο ρόλο στην μεταφορά και τον μεταβολισμό της χοληστερίνης στον οργανισμό. Επίσης τα οξέα αυτά παρατείνουν τον χρόνο πήξης του αίματος και ενισχύουν την δομή της μεμβράνης των κυττάρων και των τριχοειδών, με αποτέλεσμα να εμποδίζουν την αύξηση της διαπερατότητας του δέρματος.

Η σημασία των λιπών στον οργανισμό

Στα θηλαστικά η κύρια περιοχή συσσώρευσης των λιπών είναι το κυτταρόπλασμα των λιποκυττάρων. Στα κύτταρα αυτά σταγονίδια λίπους συνενώνονται και σχηματίζουν ένα μεγάλο σφαιρίδιο το οποίο καταλαμβάνει τον μεγαλύτερο όγκο του κυττάρου. Τα κύτταρα του λιπώδους ιστού εξειδικεύονται στην σύνθεση και αποθήκευση των τριγλυκεριδίων αλλά και στον καταβολισμό τους προς μόρια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενεργειακά στους άλλους ιστούς όπου μεταφέρονται με το αίμα.

Τα λίπη αποτελούν αποθήκες πολύ συμπυκνωμένης μεταβολικής ενέργειας. Η ενεργειακή απόδοση από την πλήρη οξείδωση των λιπαρών οξέων είναι 9kcal για κάθε γραμμάριο λίπους ενώ για τους υδατάνθρακες και τις πρωτεΐνες δεν ξεπερνά τα 4 kcal. Λόγω αυτής της μεγάλης διαφοράς σε θερμική απόδοση, τα τριγλυκερίδια επελέγησαν κατά την εξέλιξη ως κύρια αποθήκη ενέργειας. Τα λίπη επιπλέον :

Παίζουν προστατευτικό ρόλο έναντι ευαίσθητων οργάνων παρέχοντας τους κάλυψη

Βελτιώνουν την γεύση των τροφίμων, προσδίδουν αίσθημα κορεσμού και βοηθούν στην καλύτερη λειτουργία του εντέρου.

Χημικές Ιδιότητες των λιπώνΤα περισσότερα λίπη στερούνται ιδιαίτερης γεύσης και οσμής. Η γεύση και η

οσμή αλλοιωμένων λιπών οφείλεται σε χημικές μεταβολές τους με την επίδραση φωτός, αέρα και υγρασίας. Αποτέλεσμα των μεταβολών αυτών είναι ο σχηματισμός

17

οξέων από υδρόλυση λιπών, τα οξέα αυτά μπορεί να σχηματίσουν μεθυλοκετόνες, στις οποίες οφείλεται η δυσάρεστη οσμή και γεύση. Οι αλλοιώσεις των λιπών είναι γνωστές σαν τάγγισμα. Με βάση την προέλευση των λιπών, δηλαδή αν είναι ζωικά ή φυτικά και το σημείο τήξης τους, τα διακρίνουμε σε λίπη και λάδια επίσης ζωικά ή φυτικά.

Βασικές ιδιότητες των λιπών είναι η υδρόλυση, η σαπωνοποίηση η υδρογόνωση και το τάγγισμα. Η ενζυμική υδρόλυση που μας ενδιαφέρει από άποψη διατροφής, γίνεται με την δράση των λιπασών που βρίσκονται στο ζωικό και φυτικό βασίλειο. Η σαπωνοποίηση των λιπών γίνεται με διαλύματα NαOH και KOH και παράγονται γλυκερόλη και άλατα των λιπαρών οξέων με νάτριο ή κάλιο. Τα άλατα αυτά είναι γνωστά ως σάπωνες. Στον οργανισμό η παραγωγή σαπώνων γίνεται μόνο σε ορισμένες μη φυσιολογικές καταστάσεις. Η υδρογόνωση έχει σκοπό να μετατρέψει υγρά λάδια σε στερεά λίπη. Τα υδρογονωμένα λάδια χρησιμοποιούνται για την παρασκευή μαγειρικών λιπών και μαργαρίνης. Κατά την υδρογόνωση έχουμε μετατροπή διπλών δεσμών σε απλούς.

ΛιποπρωτεΐνεςΤα λιπίδια ο οργανισμός μπορεί τόσο να τα προσλάβει από τις τροφές όσο και να

τα συνθέσει. Η κύρια πέψη των λιπιδίων της τροφής πραγματοποιείται στο λεπτό έντερο, όπου αρχικά μέσω των χολικών αλάτων, πραγματοποιείται η γαλακτοματοποίηση των λιπών και στην συνέχεια η παγκρεατική λιπάση προχωρά στην διάσπαση τους προς λιπαρά οξέα και γλυκερόλη. Με την μορφή αυτή απορροφόνται τα συστατικά αυτά από την βλεννογόνο του εντέρου και μέσα στα κύτταρα της βλεννογόνου ξανασυνθέτονται τριγλυκερίδια, φωσφατίδια καθώς και εστέρες λιπαρών οξέων της χοληστερόλης.

Οι εστέρες της χοληστερόλης και τα τριγλυκερίδια λόγω του υδρόφοβου χαρακτήρα τους μεταφέρονται στα υγρά του σώματος με την μορφή λιποπρωτεϊνικών σωματιδίων (λιποπρωτεΐνες μεταφοράς). Κάθε τέτοιο σωματίδιο αποτελείται από έναν υδρόφοβο πυρήνα (τριγλυκερίδια, εστέρες της χοληστερόλη), που περιβάλλεται από πολικά λιπίδια (φωσφολιπίδια) και πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες αυτές των λιποπρωτεϊνικών σωματιδίων είναι γνωστές ως αποπρωτεΐνες και προσδίδουν στο σωματίδιο υδρόφιλα χαρακτηριστικά καθώς και ένα σήμα αναγνώρισης του σωματιδίου από τους διάφορους υποδοχείς. Τα λιποπρωτεϊνικά σωματίδια είναι τα εξής :

Χυλομικρά Λιποπρωτεΐνες πολύ χαμηλής πυκνότητας (VLDL) Λιποπρωτεΐνες χαμηλής πυκνότητας (LDL) Λιποπρωτεΐνες υψηλής πυκνότητας (HDL)

Τα χυλομικρά είναι τα λιποπρωτεϊνικά σωματίδια με την μικρότερη πυκνότητα, είναι πλούσια σε τριγλυκερίδια και φτωχά σε πρωτεΐνες Με την μορφή αυτών των χυλομικρών μεταφέρονται τα λίπη των τροφών από το έντερο στο αίμα.

Η χοληστερόλη (ή χοληστερίνη) είναι μια ένωση απαραίτητη για τον οργανισμό μιας και αποτελεί συστατικό των μεμβρανών και αποτελεί πρόδρομη ένωση σημαντικών μορίων όπως τα χολικά άλατα (συστατικό της χολής, βοηθούν στην διαλυτοποίηση και αξιοποίηση των λιπών των τροφών), οι στεροειδείς ορμόνες (γλυκοκορτικοειδή, ανδρογόνα, οιστρογόνα) και η βιταμίνη D. Η χοληστερόλη παραλαμβάνεται από τις τροφές αλλά μπορεί και να συντεθεί από ακετυλο-CoA στο ήπαρ.

18

Η περίσσεια των τριγλυκεριδίων και της χοληστερόλης στο ήπαρ, εξάγεται στο αίμα με την μορφή λιποπρωτεϊνών πολύ χαμηλής πυκνότητας (VLDL). Οι χαμηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνες (LDL) είναι ο κύριος φορέας της χοληστερόλης στο αίμα. Επιγραμματικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο ρόλος των VLDL και LDL είναι η μεταφορά χοληστερόλης στους περιφερειακούς ιστούς.

Αντίθετα οι λιποπρωτεΐνες υψηλής πυκνότητας (HDL) φαίνεται να προσλαμβάνουν την χοληστερόλη που απελευθερώνεται στο πλάσμα από τα κύτταρα που πεθαίνουν και από τις μεμβράνες που αναδιοργανώνονται, την εστεροποιούν και είτε την μεταφέρουν στις VLDL και LDL, είτε την επιστρέφουν στο ήπαρ.

Νουκλεϊνικά Οξέα

Το DNA είναι το γενετικό υλικό του οργανισμού το οποίο παρέχει τις πληροφορίες για το ποιες πρωτεΐνες θα συντεθούν, ελέγχοντας με αυτό τον τρόπο ποια χαρακτηριστικά θα έχει ο οργανισμός και ποιες βιοχημικές αντιδράσεις θα πραγματοποιηθούν. Οι εντολές του DNA πραγματοποιούνται με την βοήθεια του RNA.

To DNA και το RNA ονομάζονται νουκλεϊνικά ή νουκλεϊκά οξέα. Το DNA είναι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, ενώ το RNA το ριβονουκλεϊκό οξύ. Τα δύο μόρια είναι πολυμερή απλούστερων ενώσεων που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Τα μονομερή του DNA είναι δεοξυριβονουκλετίδια και τα μονομερή του RNA ριβονουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από τρία τμήματα :

Μια αζωτούχα βάση Ένα σάκχαρο το οποίο είναι πεντόζη και 1-3 μόρια φωσφορικού οξέος

Οι αζωτούχες βάσεις στο DNA και το RNA μπορεί να είναι πουρίνες ή πυριμιδίνες. Οι πουρίνες είναι η αδενίνη (Α) και η γουανίνη (G), ενώ οι πυριμιδίνες είναι τρεις: η θυμίνη (T), η κυτοσίνη (C) και η ουρακίλη (U). Οι βάσεις αδενίνη γουανίνη και κυτοσίνη είναι παρούσες και στο DNA και στο RNA. Η θυμίνη βρίσκεται μόνο στο DNA, ενώ η ουρακίλη μόνο στο RNA. Η πεντόζη του DNA είναι η 2-δεόξυ-D-ριβόζη ενώ η πεντόζη του RNA η D-ριβόζη. Η ένωση μιας βάσης με το σάκχαρο ονομάζεται νουκλεοζίτης (π.χ. αδενίνη + ριβόζη = αδενοσίνη). Μια φωσφορική ομάδα μπορεί να ενωθεί με έναν νουκλεοζίτη και να σχηματιστεί ένα νουκλεοτίδιο (Σχήμα 9). Ο νουκλεοζίτης αδενοσίνη αν ενωθεί με μια φωσφορική ομάδα καλείται μονοφωσφορική αδενοσίνη (AMP), εάν ενωθεί με δύο φωσφορικές ομάδες διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και αν ενωθεί με τρεις φωσφορικές ομάδες καλείται τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).

19

Σχήμα 9. Δομή των νουκλεοζιτών και νουκλεοτιδίων

Πρωτοταγής Δομή Νουκλεϊκών Οξέων

Η πρωτοταγής δομή των νουκλεϊκών οξέων είναι η ακολουθία των νουκλεοτιδίων που συνδέονται με τους φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Το υδροξύλιο του 3ου ατόμου άνθρακα του σακχάρου του πρώτου νουκλεοτιδίου ενώνεται με τη φωσφορική ομάδα του 5ου ατόμου άνθρακα του σακχάρου του δεύτερου νουκλεοτιδίου. Ο δεσμός αυτός ονομάζεται φωσφοδιεστερικός δεσμός. Με τον ίδιο τρόπο προστίθενται στην αλυσίδα το τρίο, τέταρτο νουκλεοτίδιο κ.ο.κ. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργηθεί μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, της οποίας ο σκελετός αποτελείται από τα σάκχαρα και τις φωσφορικές ομάδες. Τα δύο αυτά συστατικά αποτελούν το σταθερό τμήμα της αλυσίδας. Οι αζωτούχες βάσεις αποτελούν το μεταβλητό τμήμα της αλυσίδας. Η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα γράφεται με κατεύθυνση 5΄→3΄, όπου η αρχή είναι το νουκλεοτίδιο με την ελεύθερη φωσφορική ομάδα στον 5ο άνθρακα του σακχάρου και το τέλος το νουκλεοτίδιο που έχει ελεύθερο υδροξύλιο στον 3ο άνθρακα του σακχάρου. Τα μόρια του DNA και του RNA λόγω των φωσφορικών ομάδων έχουν αρνητικό φορτίο. Στην ακολουθία των βάσεων του DNA είναι καταγεγραμμένη η γενετική πληροφορία. Οι βάσεις των νουκλεοτιδίων ανά τρεις (τριπλέτα) ορίζουν ένα αμινοξύ.

Δευτεροταγής Δομή του DNA – Η Διπλή Έλικα

Η περιγραφή της δίκλωνης έλικας του DNA έγινε από τους Watson και Crick, οι οποίοι βασιζόμενοι σε κρυσταλλογραφικά δεδομένα έκαναν τις εξής διαπιστώσεις:

Το μόριο του DNA αποτελείται από δύο ξεχωριστές πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, οι οποίες περιστρέφονται η μια γύρω από την άλλη και φτιάχνουν διπλή δεξιόστροφη έλικα που συγκρατείται με δεσμούς υδρογόνου.

Κάθε αλυσίδα αποτελείται από ένα σκελετό σακχάρων-φωσφορικού οξέος από τον οποίον προεξέχουν οι βάσεις. Ο σκελετός αυτός είναι στο εξωτερικό της έλικας ενώ οι βάσεις στο εσωτερικό.

Οι δεσμοί υδρογόνου που συγκρατούν τις δύο αλυσίδες ενωμένες σχηματίζονται μεταξύ μιας θυμίνης στην μια αλυσίδα και μιας αδενίνης στην άλλη (δύο δεσμοί υδρογόνου), και μεταξύ μια γουανίνης αντίστοιχα σε διαφορετικές αλυσίδες (τρεις δεσμοί υδρογόνου). Οι βάσεις αδενίνη-θυμίνη και γουανίνη-κυτοσίνη είναι μεταξύ τους συμπληρωματικές.

Οι δύο αλυσίδες είναι μεταξύ τους συμπληρωματικές. Έτσι, για παράδειγμα αν η αλληλουχία της μια αλυσίδας είναι ATGCAC, η αλληλουχία στο αντίστοιχο τμήμα της δεύτερης αλυσίδας θα είναι TACGTG.

Στην διπλή έλικα η μία αλυσίδα έχει κατεύθυνση 5΄→3΄ ενώ η συμπληρωματική 3΄→5΄, είναι δηλαδή μεταξύ τους αντιπαράλληλες.

Δευτεροταγής Δομή του RNA

Τέσσερεις τύποι RNA υπάρχουν στο κύτταρο. Σε αντίθεση με το DNA το RNA είναι μονόκλωνο μόριο. Οι βάσεις του RNA είναι η αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη, ενώ το σάκχαρο είναι η ριβόζη. Τα τέσσερα είδη RNA είναι τα εξής :

Αγγελιοφόρο RNA (messenger RNA ή mRNA). Το mRNA συντίθεται στον πυρήνα και είναι συμπληρωματικό του κομματιού DNA από το

20

οποίο προκύπτει. Ο ρόλος του είναι να μεταφέρει τις γενετικές πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα, όπου εκεί θα συντεθούν οι πρωτεΐνες.

Μεταφορικό RNA (transfer RNA ή tRNA). Η λειτουργία του tRNA είναι να μεταφέρει κατά την διάρκεια της πρωτεϊνικής σύνθεσης, τα κατάλληλα αμινοξέα από το κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματα. Εφόσον υπάρχουν 20 αμινοξέα υπάρχουν και τουλάχιστον 20τύποι tRNA. Κάθε tRNA αναγνωρίζει και μεταφέρει ειδικά ένα μόνο αμινοξύ.

Ριβοσωμικό RNA (ribosomal RNA ή rRNA). Το ριβοσωμικό RNA μαζί με τις ριβοσωμικες πρωτεΐνες αποτελούν δομικά συστατικά των ριβοσωμάτων, όπου γίνεται η πρωτεϊνική σύνθεση.

Μικρό πυρηνικό RNA (small nuclear RNA ή snRNA). Είναι μικρά τμήματα RNAs που βρίσκονται στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων, εμφανίζουν καταλυτική δράση και μετέχουν στην ωρίμανση των υπολοίπων μορίων RNA.

Κύκλος του Krebs – Οξειδωτική φωσφορυλίωση

Η Σημασία του Κύκλου του Krebs

Όπως έχει προαναφερθεί η γλυκόζη, που είναι η κύρια πηγή ενέργειας για τον ανθρώπινο οργανισμό, αξιοποιείται ενεργειακά μέσω της πορείας της γλυκόλυσης οπότε και μετατρέπεται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος. Η αξιοποίηση της όμως δεν σταματά εκεί μιας και κάτω από αναερόβιες συνθήκες τα μόρια πυροσταφυλικού οξέος μπορούν να μετατραπούν σε ακέτυλο-συνένζυμο Α (ακέτυλο-CoA). Αντίστοιχα τα λίπη, που αποτελούν συμπυκνωμένη πηγή ενέργειας για τον ανθρώπινο οργανισμό, αξιοποιούνται ενεργειακά με την μετατροπή τους σε ακέτυλο-CoA μέσω της πορείας της β-οξείδωσης. Αυτά τα προϊόντα μεταβολισμού των λιπών και των υδατανθράκων συναντώνται στον κύκλο του Krebs (ή κύκλος του Κιτρικού οξέος) όπου και οξειδώνονται πλήρως προς CO2. Κατά την διάρκεια της οξείδωσης του ακέτυλο-CoA προς CO2 μια σειρά από συνένζυμα ανάγονται (NAD→NADH, FAD→FAD2). Τα συνένζυμα αυτά επανοξειδώνονται σε μια σειρά αντιδράσεων που ονομάζονται αναπνευστική αλυσίδα παρέχοντας την ενέργεια για την σύνθεση μορίων ATP.

Η σημασία του κύκλου του Krebs δεν εξαντλείται με την παραγωγή CO2 και την δημιουργία αναγμένων συνενζύμων, τα οποία τροφοδοτούν την αναπνευστική αλυσίδα για την παραγωγή ενέργειας. Οι μεταβολίτες του κύκλου του Krebs αποτελούν συγχρόνως μια μεγάλη δεξαμενή ενδιάμεσων προϊόντων, τα οποία χρησιμεύουν για την σύνθεση νέου κυτταρικού υλικού όπως αμινοξέα και αίμη της αιμοσφαιρίνης. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα οι αντιδράσεις του κύκλου του Krebs πραγματοποιούνται μέσα στα μιτοχόνδρια.

Οι αντιδράσεις του κύκλου του Krebs

Η συνολική εικόνα του κύκλου του Krebs ή αλλιώς κύκλου του Κιτρικού οξέος φαίνεται στο σχήμα 10. Ο κύκλος ξεκινά με τη συνένωση του οξαλοξικού οξέος (4άτομα άνθρακα) με την ακέτυλο ομάδα του ακέτυλο-CoA, οπότε δημιουργείται το κιτρικό οξύ και απελευθερώνεται το συνένζυμο Α (βήμα 1ο). Επειδή η πρώτη αυτή

21

αντίδραση οδηγεί στην σύνθεση του κιτρικού οξέος για αυτό και ο κύκλος αυτός αντιδράσεων ονομάζεται και κύκλος του κιτρικού οξέος.

Σχήμα 10. Ο κύκλος του KrebsΣτην συνέχεια σχηματίζεται το ισοκιτρικό οξύ (βήμα 2ο), το οποίο

αποκαρβοξυλιώνεται, δηλαδή απομακρύνεται ένα μόριο CO2, παράγεται το α-κετογλουταρικό οξύ (5άτομα άνθρακα) και ανάγεται 1μόριο NAD προς NADH (βήμα 3ο). Στην συνέχεια αποκαρβοξυλιώνεται και το α-κετογλουταρικό οξύ, παράγεται το ηλέκτρυλο-CoA (4άτομα άνθρακα) και ένα δεύτερο μόριο NADH (βήμα 4ο). Το ηλέκτρυλο-CoA μετατρέπεται σε ηλεκτρικό οξύ και ένα μόριο GDP παρουσία ανόργανου φωσφορικού οξέος μετατρέπεται σε GTP (βήμα 5ο). Στην συνέχεια το ηλεκτρικό οξύ οξειδώνεται σε φουμαρικό οξύ με την ταυτόχρονη αναγωγή ενός μορίου FAD σε FADH2 (βήμα 6ο), το φουμαρικό μετατρέπεται σε μηλικό οξύ (βήμα 7ο) και τέλος από το μηλικό αναγεννάται το οξαλοξικό οξύ με την ταυτόχρονη δημιουργία ενός ακόμη μορίου NADH (βήμα 8ο).

Ενεργειακή Απόδοση του Κύκλου του Krebs

Ο κύκλος του Krebs γίνεται στα μιτοχόνδρια και είναι στενά συνδεδεμένος με την αναπνευστική αλυσίδα, σκοπός της οποίας είναι η επανοξείδωση των αναγμένων συνενζύμων NADH και FADH2. Καθώς τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα συνένζυμα στον τελικό αποδέκτη του το Ο2, παράγεται ΑΤΡ. Η οξείδωση του NADH μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας αποδίδει 3ΑΤΡ, ενώ η οξείδωση FADH2 αποδίδει 2ΑΤΡ. Έτσι η συνολική απόδοση σε ΑΤΡ κατά την οξείδωση ενός μορίου ακέτυλο-CoA μέσω του κύκλου του Krebs, είναι :

Από τα βήματα 3, 4 και 8 παράγονται 3NADH επομένως 9ΑΤΡ Από το βήμα 6 παράγεται 1 FADH2 επομένως 2ΑΤΡ Από το βήμα 5 παράγεται 1 GTP επομένως 1ΑΤΡ

Συνολικά 12ΑΤΡ

22

Οξειδωτική φωσφορυλίωση

Οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι η διεργασία στην οποία παράγεται ΑΤΡ κατά την μεταφορά ηλεκτρονίων από αναγμένα συνένζυμα (NADH ή FADH2) προς το Ο2 διαμέσου μιας σειράς φορέων ηλεκτρονίων. Η μεταβολική αυτή πορεία αποτελεί την κύρια πηγή δημιουργίας ΑΤΡ στους αερόβιους οργανισμούς. Μερικά από τα χαρακτηριστικά αυτής της διεργασίας είναι τα εξής :

Η οξειδωτική φωσφορυλίωση γίνεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Ο κύκλος του Krebs και η β-οξείδωση των λιπαρών οξέων που δίνουν και τη μεγαλύτερη ποσότητα NADH και FADH2

γίνονται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου. Η οξείδωση του NADH αποδίδει 3 ΑΤΡ, ενώ η οξείδωση του FADH2

αποδίδει 2 ΑΤΡ. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από τα αναγμένα συνένζυμα προς το Ο2

(αναπνευστική αλυσίδα) και η φωσφορυλίωση του ADP για την δημιουργία του ΑΤΡ είναι πορείες συζευγμένες.

23