Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη

Λυρατζόπουλος Εμμανουήλ Βιολόγος 1
ΕΡΓΑΣΙΑ 1η
Θέμα 1
α. Στα προκαρυωτικά κύτταρα η DNA πολυμεράση αποτελείται από δεοξυριβονουκλεοτίδια ενώ η RNA πολυμεράση ΙΙ αποτελείται από ριβονουκλεοτίδια.
ΛΑΘΟΣ
Η DNA πολυμεράση και η RNA πολυμεράση είναι ένζυμα. Τα ένζυμα είναι συνήθως (εξαίρεση τα ριβοένζυμα) πρωτεϊνικής φύσης μακρομόρια και τα μονομερή τους είναι τα αμινοξέα (εικόνα 3).
Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια είναι μονομερή του DNA (εικόνα 4), ενώ τα ριβονουκλεοτίδια είναι μονομερή του RNA (εικόνα 5).
Η DNA πολυμεράση (εικόνα 1) είναι το βασικό ένζυμο της αντιγραφής, τοποθετεί συμπληρωματικά δεοξυριβονουκλεοτίδια απέναντι από τις μητρικές αλυσίδες, επιδιορθώνει αφαιρώντας νουκλεοτίδια που έχει τοποθετήσει κατά παράβαση του κανόνα της συμπληρωματικότητας (1 στα 100.000 νουκλεοτίδια) και τέλος αντικαθιστά τα πρωταρχικά τμήματα με DNA (μικρά τμήματα RNA απαραίτητα για την έναρξη σύνθεσης μιας αλυσίδας DNA) (εικόνα 2).
Η RNA πολυμεράση ΙΙ είναι ένα ένζυμο που συναντάται μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς (τα βακτήρια έχουν ένα είδος RNA πολυμεράσης) και αποτελείται από 12 υπομονάδες. Το ένζυμο συμμετέχει στη μεταγραφή γονιδίων m RNA, τα οποία στη συνέχεια μεταφράζονται και δίνουν το καθένα μια πολυπεπτιδική αλυσίδα.

Εικόνα 1: Μοντέλο DNA πολυμεράσης
Εικόνα 2: Αναπαράσταση μηχανισμού αντιγραφής DNA. Στο σχήμα απεικονίζονται δύο είδη DNA πολυμεράσης. Απεικονίζεται η συνεχή και η ασυνεχής σύνθεση του DNΑ σε μια διχάλα αντιγραφής.

Εικόνα 3: Δομή ενός αμινοξέος: Σταθερό τμήμα = άτομο άνθρακα, άτομο υδρογόνου, αμινομάδα, καρβοξυλομάδα, Μεταβλητό μέρος = ομάδα R
Εικόνα 4: Δομή ενός δεοξυριβονουκλεοτιδίου: φωσφορική ομάδα, αζωτούχα βάση, δεοξυριβόζη
Εικόνα 5: Δομή ριβονουκλεοτιδίου: φωσφορική ομάδα, αζωτούχα βάση, ριβόζη

β. Οι πρωτεΐνες εμφανίζουν τόσο μεγάλη ποικιλία επειδή κάθε μία αποτελείται από ένα μοναδικό μείγμα αμινοξέων στο οποίο τα αμινοξέα διατάσσονται σε τυχαία σειρά.
ΛΑΘΟΣ
Οι πρωτεΐνες είναι μακρομόρια που δομούνται με ένα σύνολο 20 διαφορετικών αμινοξέων (εξαιρέσεις αμινοξέων π.χ. σεληνοκυστείνη, πυρολυσίνη).
Οι περισσότερες αποτελούνται από 50-2000 αμινοξέα.
Από τα 20 είδη αμινοξέων, ένας διαφορετικός αριθμός κάθε φορά, συνδεόμενα με διαφορετική αλληλουχία δίνουν μια τεράστια ποικιλία πρωτεϊνικών μορίων.
Εάν κάποιος θέλει να υπολογίσει το διαφορετικό αριθμό πρωτεϊνών που μπορούν να υπάρξουν με μέγεθος 1000 αμινοξέων είναι 201000 (τεράστιος αριθμός).
Η αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα (και κατά επέκταση στην πρωτεΐνη) δεν είναι τυχαία, αλλά καθορίζεται κάθε φορά από τη συγκεκριμένη αλληλουχία βάσεων του μορίου DNA (ή RNA στους RNA ιούς).
DNA (ή RNA) πρωτοταγής δομή στερεοδιάταξη βιολογικός ρόλος πρωτεΐνης
Ακόμα και μια μικρή αλλαγή στην αλληλουχία των αμινοξέων (πρωτοταγή δομή) μπορεί να επηρεάσει το σχήμα και τη λειτουργία της πρωτεΐνης.
Παράδειγμα η δρεπανοκυτταρική αναιμία όπου αλλάζει ένα αμινοξύ (το γλουταμινικό από βαλίνη) στα αμινοξέα της αιμοσφαιρίνης (πρωτεΐνη των ερυθρών αιμοσφαιρίων που μεταφέρει οξυγόνο). Τα μη φυσιολογικά μόρια αιμοσφαιρίνης έχουν την τάση να κρυσταλλώνονται, προκαλώντας την παραμόρφωση μερικών ερυθροκυττάρων, που αποκτούν σχήμα δρεπάνου και φράζουν μικρά αγγεία του αίματος. Οι ασθενείς πληρώνουν τεράστιο τίμημα με μια μικρή αλλαγή στη δομή της πρωτεΐνης.

γ. Η πολυαργινίνη στο pH 6 δεν σχηματίζει δομή α-έλικας
ΣΩΣΤΟ Η αργινίνη (arg) είναι ένα αμινοξύ που η πλευρική της ομάδα είναι μεγάλη και το εξωτερικό της μέρος αποτελείται από τρία άζωτα δεσμευμένα σε ένα άτομο άνθρακα και λέγεται ομάδα γουανιδίνης (εικόνα 1). Έχει pKa=12,48 με αποτέλεσμα να είναι θετικά φορτισμένη σε όξινο, ουδέτερο και σε μερικές φορές και σε αλκαλικό περιβάλλον. Συνεπώς η πολυαργινίνη σε ένα μεγάλο εύρος pH είναι θετικά φορτισμένη (και στο pH 6) με συνέπεια το μόρια της να απωθούνται και να εμποδίζεται η ανάπτυξη δεσμών υδρογόνου αναμεσά τους, ώστε να σχηματιστεί δομή α έλικας.
Εικόνα 1: Χημική δομή αργινίνης
Η α-έλικα είναι ίσως το πιο γνωστό στοιχείο δευτεροταγούς δομής των πρωτεϊνών (εικόνα 2).
Η ύπαρξή της προβλέφθηκε από τον Linus Pauling στο California Institute of Technology, το 1951. Ο Pauling προέβλεψε ότι ήταν μία δομή σταθερή και ενεργειακά ευνοϊκή για τις πρωτεΐνες.
Η δευτεροταγής δομή είναι συνήθως δύο τύπων: α-έλικες ή β-πτυχωτές επιφάνειες (ή β-πτυχωτά φύλλα). Και οι δύο τύποι χαρακτηρίζονται από δεσμούς υδρογόνου ανάμεσα στις ομάδες ΝΗ και C=Ο. Η α έλικα έχει μορφή ράβδου και σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ομάδων NH και CO της κύριας αλυσίδας. Η ομάδα CO κάθε αμινοξέος είναι ενωμένη με δεσμό υδρογόνου με την ομάδα ΝΗ του αμινοξέος που βρίσκεται 4 μονάδες μπροστά από αυτή την γραμμική αλληλουχία, δίνοντας έτσι 3,6 αμινοξέα σε κάθε στροφή της έλικας.
Οι α έλικές στις πρωτεΐνες είναι δεξιόστροφες.

Εικόνα 2: Δευτεροταγής δομή α έλικα
δ. Τα οργανικά διαλύματα μετουσιώνουν τις πρωτεΐνες παρεμποδίζοντας κυρίως τις ιοντικές αλληλεπιδράσεις.
ΛΑΘΟΣ
Η τριτοταγής δομή μιας πρωτεΐνης δημιουργείται μετά τη δευτεροταγή. Η τριτοταγής δομή αφορά τη συνολική τρισδιάστατη δομή ενός πολυπεπτιδίου που προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις πλευρικές ομάδες R των διαφόρων αμινοξέων.
Ένας τύπος αλληλεπίδρασης είναι οι υδρόφοβες, όπου αμινοξέα με υδρόφοβες πλευρικές ομάδες σχηματίζουν ομάδες στο εσωτερικό της πρωτεΐνης, μακριά από το νερό.
Επίσης αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα σε διάφορες πολικές πλευρικές ομάδες R, αλλά και ιοντικοί δεσμοί ανάμεσα σε θετικά και αρνητικά φορτισμένες ομάδες R. Όλες αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι ασθενείς αλλά λειτουργούν σωρευτικά ώστε η πρωτεΐνη να αποκτά στο χώρο το τελικό της σχήμα.
Το σχήμα μπορεί να ενισχυθεί και από την ανάπτυξη δισουλφιδικών δεσμών (ομοιοπολικοί δεσμοί) μεταξύ των πλευρικών ομάδων δύο κυστεινών.
Η δομή μιας πρωτεΐνης εξαρτάται και από τις φυσικές και χημικές συνθήκες που επικρατούν στο περιβάλλον που βρίσκεται (π.χ. σε ένα κύτταρο). Αν μεταβληθεί το pH, η συγκέντρωση αλάτων, η θερμοκρασία και άλλες παράμετροι, η πρωτεΐνη μπορεί να αποδιαταχθεί και να χάσει το φυσιολογικό της σχήμα, άρα και τη βιολογική δραστικότητα της (εικόνα 1).

Οι περισσότερες πρωτεΐνες αποδιατάσσονται όταν μεταφερθούν από ένα υδατικό διάλυμα σε κάποιο άλλο όπου διαλύτης είναι μια οργανική ουσία.
Σε μια τέτοια περίπτωση, η πολυπεπτιδική αλυσίδα διατάσσει εκ νέου τις αναδιπλώσεις της, έτσι ώστε οι υδρόφοβες περιοχές της να στραφούν προς το εξωτερικό, δηλαδή προς την πλευρά του διαλύτη.
Η μετουσίωση των πρωτεϊνών από τους οργανικούς διαλύτες οφείλεται κυρίως στη διαταραχή των εσωτερικών μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων.
Όταν η ακετόνη προστίθεται το ηλεκτραρνητικό οξυγόνο της κετονομάδας της μπορεί να διαταράξει τους δεσμούς υδρογόνου που σταθεροποιούν την τριτοταγή δομή. Παρόμοια διαταραχή προκαλεί και η αιθανόλη.
Εικόνα 1: Αποδιάταξη και επαναδιάταξη της πρωτεΐνης
Ορισμένες φορές η αποδιάταξη της πρωτεΐνης δεν είναι μόνιμη, και μπορεί να ανακτήσει το λειτουργικό της σχήμα. Από το γεγονός αυτό προκύπτει ότι η πληροφορία για τη συγκεκριμένη και ιδιαίτερη δομή μιας πρωτεΐνης στον χώρο βρίσκεται ενσωματωμένη στην πρωτοταγή της δομή.

ε. Η ακρίβεια (precision) μιας βιοαναλυτικής μεθόδου αντανακλά την επαναληπτικότητα της μεθόδου που χρησιμοποιείται. Μεγαλύτερη ακρίβεια έχει η μέθοδος με τη μικρότερη τυπική απόκλιση.
ΣΩΣΤΟ
Μια βιοαναλυτική μέθοδος είναι ένα σύνολο διαδικασιών που περιλαμβάνει τη συλλογή, επεξεργασία, αποθήκευση, και ανάλυση βιολογικών δειγμάτων.
Βιοαναλυτική μέθοδος επικύρωσης (BMV) είναι η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον καθορισμό ότι μια ποσοτική αναλυτική μέθοδος είναι κατάλληλη για βιοϊατρικές εφαρμογές. Διαβεβαιώσεις όσον αφορά την ποιότητα της μεθόδου και την αξιοπιστία προέρχονται από την θέσπιση μιας σειράς έγκυρων πειραμάτων με ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Η πιστότητα (precision) μιας μεθόδου εκφράζεται με την επαναληψιμότητα (repeatability) και την αναπαραγωγιμότητα (reproducibility). Η επαναληψιμότητα μαζί με την ακρίβεια, αποτελούν τους σημαντικότερους παραμέτρους που καθορίζουν την αξιοπιστία μιας μεθόδου.
Ως επαναληψιμότητα ορίζεται η δυνατότητα της μεθόδου να δίνει το ίδιο αποτέλεσμα σε επαναλαμβανόμενες μετρήσεις του ίδιου δείγματος και είναι συνώνυμο με τη συνέπεια (consistency). Μας δείχνει το βαθμό διασποράς των τιμών της ανάλυσης κατά τον προσδιορισμό μιας ουσίας με μία συγκεκριμένη μέθοδο. Η επαναληψιμότητα μας δείχνει το μέγεθος των τυχαίων λαθών που μπορεί να οφείλονται σε ποικίλους παράγοντες, όπως διαφορετικά όργανα μέτρησης, αντιδραστήρια διαφορετικής προέλευσης, αλλαγή προσωπικού στην εργαστηριακή ανάλυση, κα.
Αναπαραγωγιμότητα (reproducibility) είναι το μέτρο της διασποράς μεταξύ των αποτελεσμάτων ανεξάρτητων ελέγχων που λαμβάνονται με την ίδια μέθοδο στο ίδιο δείγμα κάτω από διαφορετικές συνθήκες, δηλαδή, διαφορετικοί αναλυτές, ίδιο ή διαφορετικά εργαστήρια, κα. Διακρίνεται σε ενδο - εργαστηριακή και δι - εργαστηριακή αναπαραγωγιμότητα.
Ο ποσοτικός τρόπος έκφρασης της επαναληψιμότητας είναι ο προσδιορισμός της τυπικής απόκλισης (Standard Deviation). Ουσιαστικά η τυπική απόκλιση εκφράζει την έλλειψη αναπαραγωγικότητας (imprecision), δηλαδή την έλλειψη σύμπτωσης μεταξύ των επαναλαμβανόμενων μετρήσεων. Οι όροι τυχαίο λάθος, τυπική απόκλιση και έλλειψη επαναληψιμότητας είναι ταυτόσημοι.

Όσο μεγαλύτερη η τυπική απόκλιση τόσο μεγαλύτερο το τυχαίο λάθος. Όσο μικρότερη η τυπική απόκλιση τόσο καλύτερη είναι η επαναληψιμότητα της μεθόδου.
Η επαναληψιμότητα πρέπει να αξιολογείται με βάση τη διάκρισή της σε:
Within run precision (εντός προσδιορισμού πιστότητα (επαναληψιμότητα), που αναφέρεται στην επαναληψιμότητα σειράς μετρήσεων του ίδιου διαλύματος εργασίας ενός δείγματος.
Between run precision (μεταξύ προσδιορισμών πιστότητα (επαναληψιμότητα), που αναφέρεται σε σειρά προσδιορισμών διαφορετικών τμημάτων του ιδίου δείγματος στα οποία εφαρμόζονται όλα τα στάδια της αναλυτικής μεθόδου.
Όταν εφαρμόζονται μέθοδοι ρουτίνας σε μεγάλο αριθμό δειγμάτων χρησιμοποιούνται οι όροι:
Within a day precision (εντός της ημέρας επαναληψιμότητα) και
Between days precision (αναπαραγωγιμότητα).
Ως μέτρο της πιστότητας χρησιμοποιείται η τυπική απόκλιση (SD), καθώς και η σχετική τυπική απόκλιση (Relative Standard Deviation, RSD) ή συντελεστής μεταβλητότητας ή διακύμανσης (coefficient of variation, CV), που είναι καθαρός αριθμός.
Η διακύμανση (variance) είναι ένας όρος, ο οποίος ισούται με το τετράγωνο της τυπικής απόκλισης.
Ο συντελεστής μεταβλητότητας (coefficient of variation, CV), που εκφράζεται σε ποσοστό και υπολογίζεται από τη σχέση: CV % = SD / x ∙ 100. Ο συντελεστής μεταβλητότητας δίνει το μέτρο της αναλυτικής διακύμανσης των μετρήσεων, δηλαδή τη σταθερή απόκλιση προς τη μέση τιμή των μετρήσεων, επί της εκατό.

Θέμα 2
Δομές πρωτεϊνών και ο ρόλος τους στη λειτουργικότητά τους. Να περιγράψετε διδακτικά ανάλογα για την κατανόησή τους. Κύριες επιδράσεις της φωσφορυλίωσης στις λειτουργίες των πρωτεϊνών.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Τα κύτταρα περιέχουν μια μεγάλη ποικιλία πρωτεϊνών. Κάθε πρωτεΐνη αποτελείται από μια μοναδική αλληλουχία αμινοξέων που συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς (ομοιοπολικοί δεσμοί-προσδίδουν σταθερότητα). Η αλληλουχία των αμινοξέων (πρωτοταγή δομή) καθορίζει το τρισδιάστατο σχήμα της πρωτεΐνης συνεπώς και τη λειτουργία της.
Όλες οι πρωτεΐνες εμφανίζουν τρία διαδοχικά επίπεδα οργάνωσης στη δομή τους, τα οποία ονομάζονται πρωτοταγής δομή, δευτεροταγής δομή και τριτοταγής δομή. Υπάρχει και τεταρτοταγής δομή μόνο σε όσες πρωτεΐνες αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες.
Η ακριβής πρωτοταγή δομή μιας πρωτεΐνης, δηλαδή η αλληλουχία των αμινοξέων καθορίζεται από τη γενετική πληροφορία που κληρονομεί κάθε οργανισμός. Η δευτεροταγή δομή οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται στα επαναλαμβανόμενα τμήματα του πεπτιδικού σκελετού και είναι η α-έλικα και η β-πτυχωτή επιφάνεια. Η τριτοταγής δομή αφορά τη συνολική τρισδιάστατη δομή ενός πολυπεπτιδίου που προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις πλευρικές αλυσίδες των διαφόρων αμινοξέων.
Οι πρωτεΐνες ενός ευκαρυωτικού κυττάρου ρυθμίζονται με κύκλους φωσφορυλίωσης/αποφωσφορυλίωσης.
Η προσθήκη ομοιοπολικά μιας φωσφορικής ομάδας γίνεται από μια πρωτεϊνική κινάση, ενώ η αφαίρεση από μια πρωτεϊνική φωσφατάση. Η διαδικασία αυτή αυξάνει ή ελαττώνει, κατά περίπτωση, την ενεργότητα μιας πρωτεΐνης.

Πρωτεΐνη: μια λέξη που χρησιμοποιήθηκε από τον Berzelius το 1838 για να τονιστεί η σημασία του μορίου αυτού, προέρχεται από την ελληνική λέξη πρώτος.
Οι πρωτεΐνες αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ξηρής μάζας ενός κυττάρου. Δεν είναι απλώς οι δομικοί λίθοι από τους οποίους συγκροτούνται τα κύτταρα αλλά επιτελούν και τις περισσότερες κυτταρικές λειτουργίες.
Είναι ένζυμα, καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις (καταλάση), μεταφέρουν και αποθηκεύουν μικρά μόρια (αιμοσφαιρίνη, μυοσφαιρίνη, τρανσφερρίνη, φερριτίνη), προσφέρουν μηχανική στήριξη (κολλαγόνο, ελαστίνη), συμμετέχουν σε κινήσεις (ακτίνη, μυοσίνη), είναι αμυντικές (αντισώματα), δημιουργία και μεταφορά νευρικών ώσεων, ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. [1]
Η δομή και η χημεία κάθε πρωτεΐνης συντονίστηκε μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, γιαυτό και σαν μόρια εμφανίζουν μεγάλη δομική και λειτουργική πολυπλοκότητα.
Στις πρωτεΐνες απαντώνται είκοσι διαφορετικά είδη αμινοξέων, το καθένα με διαφορετικές χημικές ιδιότητες (εικόνες 1 και 2). Η ομάδα R ονομάζεται πλευρική αλυσίδα και είναι υπεύθυνη για τις ιδιότητες του αμινοξέος. Στις πρωτεΐνες συναντούμε είκοσι είδη πλευρικών αλυσίδων με διαφορετικό μέγεθος, σχήμα, φορτίο, ικανότητα δέσμευσης υδρογόνου και χημική αντιδραστικότητα. Ένα μόριο μιας πρωτεΐνης αποτελείται από μια μακριά αλυσίδα αμινοξέων, στην οποία τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους με ένα ομοιοπολικό δεσμό που ονομάζεται πεπτιδικός δεσμός (εικόνα 3). Αναπτύσσεται μεταξύ της καρβοξυλομάδας (COOH) του ενός αμινοξέος και την αμινομάδα του επόμενου (NH2), με απώλεια ενός μορίου νερού. [2,3]
Το πρώτο αμινοξύ της πολυπεπτιδικής αλυσίδας έχει ελεύθερη μια αμινομάδα και το τελευταίο μια καρβοξυλομάδα. Στο σχηματισμό του πεπτιδικού δεσμού δε συμμετέχουν οι πλευρικές ομάδες των αμινοξέων. Η αλληλουχία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης αποτελεί την πρωτοταγή (primary structure) της δομή.
Ο προσδιορισμός της πρωτοταγούς δομής στηρίζεται στη μέθοδο αποικοδόμησης κατά Edman.[4] Το πεπτίδιο υφίσταται υδρόλυση, που οδηγεί σε απόσπαση του πρώτου αμινοξέος, το οποίο ταυτοποιείται, αφού μετατραπεί σε κάποιο παράγωγό του. Το πεπτίδιο υδρολύεται με διαφορετικά ένζυμα και προκύπτουν μικρότερα πεπτίδια τα οποία επικαλύπτονται. Κατασκευάζεται ο χάρτης των επικαλυπτόμενων θραυσμάτων που οδηγεί στην εύρεση της αλληλουχίας των αμινοξέων.

Κάθε πρωτεΐνη έχει μια ιδιαίτερη τρισδιάστατη δομή που καθορίζεται από τη σειρά των αμινοξέων στην αλυσίδα της. Η τελική, πτυχωμένη διαμόρφωση είναι εκείνη με τη χαμηλότερη ενέργεια (εικόνα 4).[5] Ωστόσο η διαμόρφωση αυτή μεταβάλλεται ελαφρά όταν η πρωτεΐνη αλληλοεπιδρά με άλλα μόρια του κυττάρου. Στα ζωντανά κύτταρα η πτύχωση της πρωτεΐνης γενικά υποβοηθείται από ειδικές πρωτεΐνες τις σαπερονίνες. [6,7] Η πρώτη πρωτεΐνη της οποίας η αλληλουχία καθορίστηκε πλήρως ήταν της ορμόνης ινσουλίνης το 1955. [8] Σήμερα αν είναι γνωστή η αλληλουχία του DNA που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη, εφαρμόζοντας το γενετικό κώδικα, μπορεί να βρεθεί η αλληλουχία των αμινοξέων της. Η δευτεροταγής (secondary structure) δομή αναφέρεται στις αναδιπλώσεις που μπορεί να έχουν τα διάφορα τμήματα μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι αλυσίδες των πρωτεϊνών μπορεί να έχουν δύο διαφορετικές μορφές: α) μορφή α- έλικας, β) μορφή β-πτυχωτής επιφάνειας (εικόνες 5,6,7). Η μελέτη της δευτεροταγούς δομής πραγματοποιείται με τη βοήθεια κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ. Η μορφή που ανακαλύφθηκε πρώτη ήταν η α-έλικα στην πρωτεΐνη α-κερατίνη που υπάρχει άφθονη στο δέρμα και στα παράγωγά του (τρίχες, νύχια, κέρατα). [9,10,11] Μέσα σε ένα χρόνο από την ανακάλυψη βρέθηκε και η δεύτερη δομή το β-πτυχωτό φύλλο στην πρωτεΐνη φιμπροίνη, συστατικό του μεταξιού. Στην α-έλικα η πολυπεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αμινοξέων της ίδιας αλυσίδας. Η πρωτεΐνη αποκτά ελικοειδή μορφή με 3,6 αμινοξέα για κάθε σπείρα. Ένας δεσμός υδρογόνου σχηματίζεται ανά τέταρτο πεπτιδικό δεσμό, συνδέοντας το καρβονύλιο CO ενός πεπτιδικού δεσμού με την ιμινομάδα ΝΗ ενός άλλου πεπτιδικού δεσμού. Ο Pauling την παρομοίωσε σαν το καλώδιο του παλιού τηλεφώνου. Το ποσοστό της α έλικας σε μια πρωτεΐνη ποικίλει, στην αιμοσφαιρίνη και μυοσφαιρίνη είναι το βασικό χαρακτηριστικό, ενώ σε ένα πεπτικό ένζυμο τη χυμοθρυψίνη δεν υπάρχει. Ορισμένες φορές δύο α-έλικες περιελίσσονται η μια γύρω από την άλλη για να σχηματίσουν μια πολύ σταθερή δομή το σπειροειδές σπείραμα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα η α-κερατίνη και η μυοσίνη υπεύθυνη για τη συστολή των μυών. [12]

Στην β-πτυχωτή επιφάνεια η αναδίπλωση γίνεται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ διαφορετικών πολυπεπτιδικών αλυσίδων του ίδιου πρωτεϊνικού μορίου. Η πρωτεΐνη αποκτά σχήμα επιφάνειας με πτυχώσεις. Μπορεί μια πρωτεΐνη να αναδιπλώνεται και με τυχαίο τρόπο. Μια ιδιαίτερη δομή είναι του κολλαγόνου, πρωτεΐνη που προσδίδει αντοχή και ελαστικότητα και βρίσκεται στο δέρμα, οστά, τένοντες, χόνδροι, αγγεία και δόντια. Αποτελείται από τρεις αλυσίδες που συνδέονται και εμφανίζεται συχνά η αλληλουχία γλυκίνη-προλίνη-υδροξυλυσίνη. [13] Μετάλλαξη σε μια μόνο γλυκίνη του κολλαγόνου μπορεί να αποβεί μοιραία, όπως στην ατελή οστεογένεση. [14] Η τριπλή έλικα του κολλαγόνου σταθεροποιείται σημαντικά εξαιτίας της υδροξυλίωσης. Στο σκορβούτο που είναι αποτέλεσμα έλλειψης βιταμίνης C (ασκορβικό οξύ), το κολλαγόνο δεν είναι αρκετά υδροξυλιωμένο και δεν έχει τη δυνατότητα σχηματισμού κανονικών ινών. [15] Η αναδίπλωση της ήδη αναδιπλωμένης πολυπεπτιδικής αλυσίδας προσδίδει στην πρωτεΐνη ένα συγκεκριμένο σχήμα που αποτελεί τη τριτοταγή (tertiary structure) δομή. Στη δομή αυτή συμβάλλουν διάφοροι δεσμοί μεταξύ των πλευρικών ομάδων: α) δεσμοί υδρογόνου, β) ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ αντίθετων φορτισμένων ομάδων, γ) υδρόφοβοι δεσμοί μεταξύ υδρόφοβων ομάδων όταν πλησιάζουν, δ) δεσμοί Van der Waals μεταξύ μη πολικών ομάδων και ε) ομοιοπολικοί δισουλφιδικοί δεσμοί, μεταξύ ατόμων S δύο κυστεινών. [16]
Όμοιες ή διαφορετικές πολυπεπτιδικές αλυσίδες που έχουν αναδιπλωθεί μπορούν να ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζοντας πρωτεϊνικά σύμπλοκα, που αποτελούν τη τεταρτοταγή (quaternary structure) δομή της πρωτεΐνης, όπως στην αιμοσφαιρίνη και στα αντισώματα, παρατηρούνται τέσσερις αλυσίδες ανά δύο όμοιες. Οι ανεξάρτητες πολυπεπτιδικές αλυσίδες του πρωτεϊνικού συμπλόκου αποτελούν τις υπομονάδες. Οι πληροφορίες που απαιτούνται για την αναδίπλωση μιας πρωτεΐνης ώστε να αποκτήσει την πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή της περιέχονται στην αλληλουχία των αμινοξέων της. Πως οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται σε σύντομο χρονικό διάστημα, φαίνεται ότι δημιουργούνται μικρά τμήματα δευτεροταγούς δομής (περίπου 15 αμινοξέα), που λειτουργούν ως ενδιάμεσα στη διαδικασία αναδίπλωσης. Αυτές οι μονάδες αναδίπλωσης λειτουργούν ως πυρήνες για να τραβήξουν και να σταθεροποιήσουν άλλα τμήματα στη δευτεροταγή δομή. [17,18] Το πρώτο βήμα στη λειτουργία μιας πρωτεΐνης είναι η δέσμευση της με ένα άλλο μόριο, και έχουν τη μοναδική δυνατότητα να ξεχωρίζουν και να αντιδρούν με ποικιλία μορίων.

Οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο ιατρικής έρευνας Stowers έχουν παρατηρήσει τη συνάθροιση μη σωστά αναδιπλωμένων κυτταρικών πρωτεϊνών που συνδέονται με τη γήρανση και διαταραχές όπως η νόσος του Πάρκινσον. Οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι το 90 τοις εκατό των πρωτεϊνών αυτών τοποθετούνται στην επιφάνεια του ενδοπλασματικού δικτύου (ER), μια τοποθεσία της σύνθεσης των πρωτεϊνών στο κύτταρο. Οι πρωτεΐνες αυθόρμητα συγκολλώνται στο κυτταρόπλασμα. Ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον, καρδιαγγειακά νοσήματα, και κυστική ίνωση μπορεί να έχουν κάτι κοινό: κύτταρα στους ιστούς τους που πλήττονται από την ασθένεια παράγουν πρωτεΐνες που δεν λειτουργούν κανονικά. [19] Σήμερα, οι πειραματικές μέθοδοι παρέχουν πληροφορίες για ένα μικρό κλάσμα πρωτεϊνών, ενώ η μοντελοποίηση με τη βοήθεια των υπολογιστών θα οδηγήσει στην ανάλυση πολλών πρωτεϊνών. Δίνεται η δυνατότητα πρόβλεψης δευτεροταγούς δομής, η διαλυτότητα, μοντέλα τριτοταγούς δομής δίνοντας την αλληλουχία των αμινοξέων. [20]

Εικόνα 1: Δομή των 20 διαφορετικών αμινοξέων, με το μπλε είναι οι πλευρικές ομάδες που καθορίζουν τις ιδιότητες του αμινοξέος.
Εικόνα 2: 20 αμινοξέα πρωτεινών, οι συντομογραφίες τους και διάκριση τους με βάση την πολικότητα της πλευρικής τους ομάδας.
2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

Εικόνα 3: Τα δομικά στοιχεία μιας πρωτεΐνης. Κάθε τύπος πρωτεΐνης διαφέρει στην ακολουθία και το πλήθος των αμινοξέων. Τα δύο άκρα μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας είναι χημικώς διαφορετικά: το ένα άκρο έχει την αμινομάδα (NH3 +, επίσης NH2) είναι η αμινο απόληξη, ή Ν- τέρμα, και το άλλο άκρο είναι η καρβοξυλομάδα (COO, επίσης COOH) είναι το καρβοξυλιτελικό ή C-terminus. Η ακολουθία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης παρουσιάζεται πάντα προς την κατεύθυνση Ν-C, ανάγνωση από αριστερά προς τα δεξιά.

Εικόνα 4: Πώς μια πρωτεΐνη αναδιπλώνεται. Τα αμινοξέα με πολικές πλευρικές αλυσίδες τείνουν να συγκεντρωθούν έξω από την πρωτεΐνη, όπου μπορούν να αλληλοεπιδράσουν με το νερό, ενώ τα μη πολικά αμινοξέα «θάβονται» στο εσωτερικό για να σχηματίσουν ένα πυκνά υδροφοβικό πυρήνα των ατόμων που είναι κρυμμένα από το νερό. Σε αυτό το σχηματικό σχέδιο, η πρωτεΐνη περιέχει μόνο περίπου 30 αμινοξέα.

Εικόνα 5: α-έλικα (Α, Β, και Γ) και β-πτυχωτό φύλλο (D, E και F).
ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ α-έλικας:
-3.6 αμινοξέα / στροφή
-δεσμοί υδρογόνου: μεταξύ του καρβοξυλίου του αμινοξέος n και της αμινοομάδας του αμινοξέος n+4
-βήμα της έλικας: 5,4 Å (μετατόπιση 1.5 Å / αμινοξύ) -σχεδόν πάντα δεξιόστροφη
-οι πλευρικές αλυσίδες προεξέχουν προς τα έξω

Εικόνα 6: Δομή α-έλικα, οι πλευρικές ομάδες προεξέχουν προς τα έξω.
Εικόνα 7: Δύο τύποι του β-πτυχωτού φύλλου, Α αντιπαράλληλη διάταξη, Β παράλληλη διάταξη.
ΔΕΥΤΕΡΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ – β- ΠΤΥΧΩΤΑ ΦΥΛΛΑ
ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ: «απλωμένη» δομή (απόσταση γειτονικών αμινοξέων = 3.5 Å)
-δεσμοί υδρογόνου μεταξύ διαδοχικών πτυχώσεων

Βιβλιογραφία
1. Stryer L. (1993). “BIOCHEMISTRY 3rd ed”. Freeman and Company; pp. 15-40 2. ANGER F (1952). "The arrangement of amino acids in proteins". Adv. Protein Chem. 7: 1–67 3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al (2002) . New York: Garland Science; pp. 337-367 4. Edman, P.; Högfeldt, Erik; Sillén, Lars Gunnar; Kinell, Per-Olof (1950). "Method for determination of the amino acid sequence in peptides". Acta Chem. Scand. 4: 283–293. 5. Zhang Y, Kihara D, Skolnick J (2002). “Local energy landscape flattening: Parallel hyperbolic Monte Carlo sampling of protein folding”. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 48: 192. 6. Ellis RJ, van der Vies SM (1991). "Molecular chaperones". Annu. Rev. Biochem. 60: 321–47.
7. Pereira JC, Ralston CY, Adams PD (2010). “Crystal Structures of a Group II Chaperonin Reveal the Open and Closed States Associated with the Protein Folding Cycle”. J. Biol. Chem. 285 (36):27958-27966. 8. Stretton AO (October 2002). "The first sequence. Fred Sanger and insulin".Genetics 162 (2): 527–32. 9. Pauling, L. & Corey, R. B. (1951). The structure of feather rachis keratin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 37, 256–261. 10. Pauling, L; Corey RB, Branson HR (1951). "The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 37 (4): 205–211.
11. Eisenberg D (2003). “The discovery of the α-helix and β-sheet, the principal structural features of proteins”. Proc. Natl. Sci. USA 100: 11207-11210. 12. Liu, J; Zheng Q; Deng Y; Cheng CS; Kallenbach NR; Lu M (2006). "A seven-helix coiled coil". PNAS 103 (42): 15457–15462. 13. Berisio R, Vitagliano L, Mazzarella L, Zagari A (February 2002). "Crystal structure of the collagen triple helix model [(Pro-Pro-Gly)(10)](3)". Protein Sci. 11 (2): 262–70.
14. Gajko-Galicka A. “Mutations in type I collagen genes resulting in osteogenesis imperfecta in humans”. Acta Biochim Pol. 2002;49(2):433-41. Review.
15. Anitra C Carr and Balz Frei (1999). “Toward a new recommended dietary allowance for vitamin C based on antioxidant and health effects in humans”. Am J Clin Nutr vol. 69 no. 6 1086-1107.

16. Anfinsen, C. B. (1973). “Principles that Govern the Folding of Protein Chains”. Science 181: 223-230. 17. MARTIN KARPLUS & DAVID L. WEAVER (1994). “Protein folding dynamics: The diffusion- collision model and experimental data”. Protein Science, 3:650-668. 18. Lindorff-Larsen K, Piana S, Dror R.O., and Shaw D.E (2011). "How Fast-Folding Proteins Fold," Science, vol. 334, no. 6055, pp. 517–520. 19. http://www.stowers.org/media/news/oct-16-2014. 20. Roy, A., Xu, D., Poisson, J., Zhang, Y (2011). “A Protocol for Computer-Based Protein Structure and Function Prediction”. J. Vis. Exp. (57), e3259,

Φωσφορυλίωση πρωτεϊνών Μια μέθοδος η οποία χρησιμοποιείται από τα ευκαρυωτικά κύτταρα για τη ρύθμιση της λειτουργίας μιας πρωτεΐνης είναι η ομοιοπολική προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας στην πλευρική αλυσίδα ενός αμινοξέος. Αποτελεί ένα από τους μηχανισμούς μετα-μεταφραστικής τροποποίησης. [1] Επειδή κάθε φωσφορική ομάδα έχει δύο αρνητικά φορτία, μπορεί να προσελκύσει μια ομάδα θετικά φορτισμένων πλευρικών αλυσίδων ορισμένων αμινοξέων. Η αφαίρεση της φωσφορικής ομάδας από ένα άλλο ένζυμο επαναφέρει την πρωτεΐνη στην αρχική ενεργότητά της. Αυτός ο αντιστρεπτός μηχανισμός της φωσφορυλίωσης λειτουργεί σαν ένας μοριακός διακόπτης που ελέγχει την ενεργότητα πολλών πρωτεϊνών. Σε οποιαδήποτε στιγμή το 1/3 των πρωτεινών ενός κυττάρου θηλαστικού είναι φωσφορυλιωμένο. [2] Η προσθήκη και η αφαίρεση φωσφορικών ομάδων γίνεται από ειδικά ένζυμα σε απάντηση προς σήματα που οδηγούν σε κάποια μεταβολή στην κατάσταση του κυττάρου. Η φωσφορυλίωση μιας πρωτεΐνης γίνεται με ενζυμική μεταφορά μιας φωσφορικής ομάδας του ATP στο υδροξύλιο της πλευρικής αλυσίδας της σερίνης, θρεονίνης, τυροσίνης, ή της ιστιδίνης μιας πρωτεΐνης. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από μια πρωτεϊνική κινάση. [3] Η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η αποφωσφορυλίωση γίνεται από τις πρωτεϊνικές φωσφατάσες. Τα κύτταρα περιέχουν εκατοντάδες από τα ένζυμα αυτά. Πάνω από το 5% των γονιδίων των σπονδυλωτών κωδικοποιούν τα ένζυμα αυτά. [4] Ρυθμιστικοί ρόλοι της φωσφορυλίωσης: 1. Κυτταρική απόκριση σε εξωκυτταρικά σήματα. [5] 2. Ρύθμιση του ογκοκατασταλτικού γονιδίου p53, το οποίο οδηγεί σε αναστολή του κυτταρικού κύκλου (για την επιδιόρθωση των βλαβών του DNA), ή μπορεί να οδηγήσει σε απόπτωση (κυτταρικός θάνατος). [6] 3. Έλεγχος της ενεργότητας ενζύμων, π.χ. σε μεταβολικό μονοπάτι της ινσουλίνης, στη ρύθμιση μιας διαμεμβρανικής πρωτεΐνης της αντλίας Na+/K+, με ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των νευρικών κυττάρων. [7] 4. Πρωτεϊνική αποικοδόμηση, η φωσφορυλίωση ορισμένων πρωτεϊνών οδηγεί στην αποικοδόμηση τους από το σύστημα της ουβικουτίνης-πρωτεόσωμα. 5. Κυτταρική διαφοροποίηση και επιβίωση εγκεφαλικών νευρώνων. [8] 6. Παίζουν ρόλο στην αγγειογένεση, στην ενεργοποίηση αιμοπεταλίων στην πήξη του αίματος. [9] 7. Έλεγχος μεταγραφής, οι επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες στο καρβοξυτελικό άκρο του ενζύμου RNA πολυμεράση ΙΙ είναι φωσφορυλιωμένες όταν το ένζυμο βρίσκεται στην ενεργή του μορφή. [10]

Η διευκρίνιση των πολύπλοκων μονοπατιών φωσφορυλίωσης μπορεί να είναι δύσκολο έργο. Στην κυτταρική σηματοδότηση η πρωτεΐνη Α φωσφορυλιώνει την πρωτεΐνη B, και η Β φωσφορυλιώνει τη Γ. Ωστόσο, σε ένα άλλο μονοπάτι, η πρωτεΐνη Δ φωσφορυλιώνει την A, ή οποία φωσφορυλιώνει τη Γ. Η ανάπτυξη της φωσφοπρωτεομικής (phosphoproteomics), η μελέτη της φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών, που είναι επιμέρους κλάδος της Πρωτεομικής, έχει χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση και την ποσοτικοποίηση των δυναμικών αλλαγών στις φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες. Οι τεχνικές αυτές γίνονται ολοένα και πιο σημαντικές για την συστηματική ανάλυση των δικτύων φωσφορυλίωσης. [11] Οι πρωτεινικές κινάσες εμπλέκονται και σε πολλές μορφές καρκίνου, είτε με την υπερέκφραση τους, είτε μη λειτουργικές (ως μεταλλαγμένες μορφές). Η πρώτη περίπτωση αναφέρθηκε το 1986 σε καρκίνωμα του εντέρου. [12] Στη συνέχεια παρατηρήθηκε και σε άλλες μορφές καρκίνου, στο θυρεοειδή, στη χρόνια μυελογενή λευχαιμία κ.α. [13] Μεταλλάξεις στα γονίδια των πρωτεϊνικών κινασών μπορούν να οδηγήσουν σε αναπτυξιακές δυσμορφίες, όπως το σύνδρομο της κρανιοσυνεόστεωσης, σε δυσλειτουργία της αιμοποίησης, καθώς και σε ανοσοανεπάρκεια. [14,15,16] Η σχέση της φωσφορυλίωσης και της ανάπτυξης διαφόρων τύπων καρκινικών κυττάρων έδωσε την ελπίδα για την ανάπτυξη φαρμάκων αναστολέων των διαδικασιών αυτών. [17]

Βιβλιογραφία 1. Burnett G, Kennedy EP (1954). "The enzymatic phosphorylation of proteins". J. Biol. Chem. 211 (2): 969–80. 2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al (2002) . New York: Garland Science; pp. 337-367. 3. Ciesla J, Fraczyk T, Rode W (2011). "Phosphorylation of basic amino acid residues in proteins: important but easily missed". Acta Biochim Pol 58 (2): 137–47. 4. Hunter T (1997). “THE CROONIAN LECTURE 1997. The phosphorylation of proteins on tyrosine: its role in cell growth and disease”. Phil.Trans. R. Soc. Lond. B 353, 583-605. 5. van der Geer, P., Hunter, T. & Lindberg, R. A. (1994).” Receptor protein-tyrosine kinases and their signal transduction pathways. A. Rev. Cell Biol. 10, 251-337. 6. Ashcroft M, Kubbutat MH, Vousden KH (1999). "Regulation of p53 Function and Stability by Phosphorylation". Mol. Cell. Biol. 19 (3): 1751–8. 7. van Weeren PC, de Bruyn KM, de Vries-Smits AM, van Lint J, Burgering BM (1998). "Essential role for protein kinase B (PKB) in insulin-induced glycogen synthase kinase 3 inactivation. Characterization of dominant-negative mutant of PKB". J. Biol. Chem. 273(21): 13150–6. 8. Barbacid, M. 1995 “Neurotrophic factors and their receptors”. Curr. Opin. Cell Biol. 7, 148- 155.
9. Sato, T. N., Tozawa, Y., Deutsch, U., Wolburg-Buchholz, K., Fujiwara,Y., Gendron-Maguire, M., Gridley, T.,Wolburg, H., Risau,W. & Qin,Y. (1995). “ Distinct roles of the receptor tyrosine kinases Tie-1 and Tie-2 in blood vessel formation”. Nature 376, 70-74.
10. Baskaran, R., Dahmus, M. F. & Wang, J.Y. J. (1993). “ Tyrosine phosphorylation of mammalian RNA polymerase II carboxylterminal domain”. Proc. Natn. Acad. Sci. 11167-11171.
11. Olsen JV, Blagoev B, Gnad F, Macek B, Kumar C, Mortensen P, Mann M (2006). "Global, in vivo, and site-specific phosphorylation dynamics in signaling networks".Cell 127 (3): 635–48
12. Martin-Zanca, D., Hughes, S. H. & Barbacid, M. (1986) “ A human oncogene formed by the fusion of truncated tropomyosin and protein-tyrosine kinase sequences”. Nature 319, 743- 748.
13. Rabbitts, T. H. (1994). “Chromosomal translocations in human cancer”. Nature 372, 143-149.
14. Webster,M.K.&Donoghue,D. J.(1997) “FGFRactivation in skeletal disorders: toomuch of a good thing”.TrendsGenet. 13,178-182.
15. Lev, S., Blechman, J. M., Givol, D. & Yarden,Y. (1994). “Steel factor and c-kit proto-oncogene: genetic lessons in signal transduction. Crit. Rev. Oncog. 5, 141-168.

16. Russell, S. M. (and 11 others) (1995). “ Mutation of Jak3 in a patient with SCID: essential role of Jak3 in lymphoid development. Science 270, 797-800.
17. Levitzki, A. & Gazit, A. (1995). “ Tyrosine kinase inhibition: an approach to drug development”. Science 267, 1782-1788.

Διδακτικά ανάλογα στη δομή των πρωτεϊνών
Σημαντική τομή στη διδακτική των φυσικών επιστημών αποτέλεσε η διερεύνηση των αντιλήψεων και των συλλογισμών των μαθητών για τα φυσικά φαινόμενα καθώς και η στροφή προς τον εποικοδομισμό και τις διαφορετικές εκδοχές του. [1]
Η μάθηση είναι διαδικασία αλληλεπίδρασης με τις προηγούμενες αντιλήψεις και οικοδόμηση νέων νοητικών δομών. Η γνώση είναι μεταβαλλόμενη και οικοδομείται από τον καθένα χωριστά, συνεπώς είναι και υποκειμενική.
Ο Piaget υποστηρίζει ότι οι μαθητές προσπαθούν να αντιληφθούν τον κόσμο με βάση τα όσα γνωρίζουν και τα ερεθίσματα που δέχονται. [2] Ο Ausubel υποστηρίζει ότι το σημαντικότερο πρόβλημα είναι αυτό που ήδη γνωρίζει ο μαθητής. [3]
Οι καθηγητές φυσικών επιστημών δεν μπορούν να κατανοήσουν πως οι μαθητές τους δεν καταλαβαίνουν. Ο παραδοσιακός τρόπος διδασκαλίας και η υπερβολική έκταση της ύλης οδηγούν τους μαθητές πολλές φορές στην αποστροφή των μαθημάτων αυτών. [4]
Αντίδοτο σε αυτή την αποστροφή είναι η εμπλοκή του μαθητή στην εκπαιδευτική διαδικασία. Η χρήση ΤΠΕ (Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνιών) μπορεί να προσφέρει πολλά προς αυτή την κατεύθυνση. Η οπτικοποίηση και η μοντελοποίηση βιολογικών συστημάτων και η προσομοίωση βιολογικών διαδικασιών και η σύνδεση τους με την καθημερινή ζωή, είναι πλέον απαραίτητα για τη διδασκαλία της Βιολογίας. [5]
Η μάθηση δεν είναι απλώς μία διαδικασία μεταβίβασης γνώσεων. Η γνώση οικοδομείται σταδιακά, στηριζόμενη σε συγκεκριμένο γνωστικό υπόβαθρο και σε μελέτη βασισμένη στην εποπτεία, στην παρατήρηση ή και το πείραμα κ.ά.
Για να γίνει η μετάβαση από ένα γνωστικό επίπεδο σε άλλο υψηλότερο, πρέπει να δίνεται η ευκαιρία στο μαθητή, με τη βοήθεια κατάλληλων ερεθισμάτων, να θέτει υπό κρίση ή αμφισβήτηση αυτά που έχει μάθει, να κατανοεί ή και να προβλέπει ακόμη όσα πρόκειται να ακολουθήσουν κατά τη διάρκεια μιας διδασκαλίας.
Οι νέες έννοιες και τα νοητικά αντικείμενα είτε εντάσσονται αρμονικά στις ήδη υπάρχουσες γνώσεις είτε προκαλούν αναπροσαρμογή παλαιότερων σχημάτων.
Η μάθηση, ως αποτέλεσμα προσωπικής «ανακάλυψης» από το μαθητή, συντελεί στην προώθηση της νοητικής ανάπτυξης, στην αυτοδιδαχή και στην οργάνωση της σκέψης του.
Είναι μια επαγωγική προσπάθεια, μία συντονισμένη επεξεργασία πληροφοριών και οργάνωση λογικών σχημάτων και προτάσεων.

Ο μαθητής δεν πρέπει απλώς να συσσωρεύει πληροφορίες και γνώσεις. Θα πρέπει αυτές να συνοδεύονται από την απόκτηση νοητικών δεξιοτήτων, οι οποίες θα του εξασφαλίζουν τη δυνατότητα για αντιμετώπιση προβλημάτων και τη διαμόρφωση στάσεων και συμπεριφορών θετικών απέναντι σε θέματα που αφορούν τον εαυτό του αλλά και το κοινωνικό του περιβάλλον.
Η διδασκαλία θα πρέπει να είναι μια διαδικασία ευχάριστη για το μαθητή.
Σε ό,τι αφορά το χαρακτήρα της επιστήμης, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι η σημερινή Βιολογία είναι μια πειραματική επιστήμη, περισσότερο επεξηγηματική παρά περιγραφική, που διατυπώνει συγκεκριμένους συλλογισμούς με την ίδια ακρίβεια που αυτό γίνεται και στις άλλες Φυσικές Επιστήμες (Φυσική, Χημεία κτλ.).
Εξάλλου, επειδή η Βιολογία βρίσκεται σε μια φάση επιταχυνόμενης ανάπτυξης πολύ περισσότερο από τις άλλες Φυσικές Επιστήμες, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι τα δεδομένα αλλάζουν διαρκώς και οι θεωρίες αποδεικνύονται προσωρινές (βελτιώνονται ή αναθεωρούνται).
Διδακτικοί στόχοι
Στο τέλος της διδασκαλίας ο μαθητής θα πρέπει:
 Να αναγνωρίζει το είδος των μονομερών των πρωτεϊνών (αμινοξέα) και να περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο αυτά συνδέονται, ώστε να αποτελέσουν πεπτιδικές αλυσίδες.
 Να συσχετίζει την «ιδιαιτερότητα» κάθε πρωτεΐνης με τη συγκεκριμένη αλληλουχία των αμινοξέων, τα οποία δομούν την πεπτιδική αλυσίδα.
 Να αναγνωρίζει ότι κάθε συγκεκριμένη αλληλουχία αμινοξέων προσδιορίζει μια συγκεκριμένη στερεοδιάταξη, που με τη σειρά της προσδιορίζει έναν καθορισμένο βιολογικό ρόλο για την πρωτεΐνη.
 Να κατατάσσει τις πρωτεΐνες με βάση τη λειτουργία τους και να αναγνωρίζει ότι αυτές είναι τα μακρομόρια χάρη στα οποία επιτελείται ένα πλήθος από διαφορετικές κυτταρικές λειτουργίες.

1. Η διδασκαλία μπορεί να ξεκινήσει με την ερώτηση για την προέλευση του ονόματος «πρωτεΐνη», τονίζοντας τον κυρίαρχο ρόλο των μακρομορίων αυτών. Στη συνέχεια σε ένα πίνακα παρουσιάζουμε κάποιες πρωτεΐνες και ζητάμε από τους μαθητές των πιθανό ρόλο τους.
Πρωτεΐνες
Λειτουργία
Κολλαγόνο
Αντισώματα
Αιμοσφαιρίνη
Μυοσίνη
Ινσουλίνη
Λυσοζύμη
2. Παρουσίαση της δομής των αμινοξέων που αποτελούν τα μονομερή των πρωτεϊνών. Ιδιαίτερη αναφορά στην πλευρική ομάδα R που καθορίζει τις ιδιότητες κάθε αμινοξέος.
Προβολή των 20 αμινοξέων και παρομοίωση τους με τα γράμματα μιας ιδιαίτερης γλώσσας. Εξήγηση του τρόπου σύνδεσης των αμινοξέων με τον πεπτιδικό δεσμό και προσπάθεια να κατανοήσουν την πολικότητα που προκύπτει στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, και ότι στην πεπτιδική αλυσίδα το 1ο αμινοξύ έχει ελεύθερη αμινομάδα, ενώ το τελευταίο έχει ελεύθερη καρβοξυλομάδα. Τους ζητάτε να διαβάσουν τις λέξεις οταν και νατο για να αντιληφθούν την πολικότητα.
3. Μπορείτε να τους ζητήσετε να γράψουν όσες περισσότερες λέξεις μπορούν χρησιμοποιώντας τα γράμματα α, ν, ε. Αφού συνθέσουν λέξεις, όπως: νέα, αν,
εάν, ένα, εννέα, Αννα κ.ά., ρωτήστε τους τι είναι αυτό που διαφοροποιεί τις λέξεις αυτές μεταξύ τους. Όταν οδηγηθούν στην απάντηση ότι είναι το είδος και η καθορισμένη σειρά των γραμμάτων που τις συνθέτουν, και η διαφορετική κάθε φορά σημασία τους, εξηγήστε ότι με παρόμοιο τρόπο τα 20 διαφορετικά αμινοξέα μπορούν να συνθέσουν ένα ποικίλο αριθμό διαφορετικών πρωτεϊνών.

4. Προβολή τεσσάρων εικόνων όπου απεικονίζονται οι δομές των πρωτεϊνών. Πρέπει να γίνει σαφές ότι η αλληλουχία των αμινοξέων (πρωτοταγή δομή) καθορίζει τη στερεοδιάταξη της πρωτεΐνης. Παρουσίαση της δευτεροταγούς δομής σαν την αρχική αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, την α έλικα σαν το καλώδιο του τηλεφώνου και τη β πτυχωτή σαν μια λαμαρίνα. Μπορούν οι μαθητές να χρησιμοποιήσουν καλώδια και να προσπαθήσουν να προσομοιώσουν μια δομή πρωτεΐνης. Να κατανοήσουν την τελική αναδίπλωση στην τριτοταγή δομή και τέλος παρουσίασης της αιμοσφαιρίνης για να διαπιστώσουν τη διαφορά στο πολυπεπτίδιο και την πρωτεΐνη που έχει τεταρτοταγή δομή.
5. Πλήθος διαδραστικών εφαρμογών με τις οποίες μπορεί κανείς να κατασκευάσει μια πρωτεΐνη και να προβλέψει τη δομή της είναι διαθέσιμες στο διαδίκτυο (για παράδειγμα στη διεύθυνση http://fold.it/).
6. Οι μαθητές παρατηρούν ένα ερυθροκύτταρο φυσιολογικό και ένα δρεπανοκύτταρο και γίνεται προσπάθεια να βρεθεί η αιτιολογία του προβληματικού κυττάρου. Οι μαθητές χρησιμοποιούν το διαδίκτυο, χωρίζονται σε δύο ομάδες και ανταγωνίζονται για την απάντηση.
7. Πρωτοταταγής δομή — στερεοδιάταξη — βιολογικός ρόλος, είναι η βασική πρόταση που πρέπει να εντυπωθεί στους μαθητές. Μια τελευταία ερώτηση είναι «Τι προκαλεί ο πυρετός σε ένα ανθρώπινο κύτταρο και αποτρέπει τον πολλαπλασιασμό ενός ιού»

Βιβλιογραφία
1. Carr, M., Barker, M., Bell, B., Biddulph, F., Jones, A., Kirkwood, V., Pearson, J. & Symington, D., (1995) “The constructivist Paradigm and Some Implications for Science Content and Pedagogy”, in Fensham P.J., Gunstone R.F. & White R.T. (eds), The Content of Science: A constructivist approach to its teaching and learning, London, ed. The Palmer Press, p.149.
2. Driver, R. and Easley, J.,(1978) Pupils and paradigms: A review of literature related to concept development in adolescent science students, Studies in Science Education, vol. 5, p.68.
3. Ausubel, D.P., Novac, J.D. & Hanesian, H., (1978) Educational Psychology. A cognitive view, New York: Holt, Rinehart and Winston, iv.
4. Bertrand, Y. (1999) (Μετ. Σιπητάνου Αθηνά – Λινάρδου Ελένη), Σύγχρονες εκπαιδευτικές θεωρίες, Αθήνα, Ελληνικά Γράμματα, Β΄εκδ., σελ.66.
5. Rocard, M., Csermely, P., Jorde, D., Walberg-Henriksson, H. & Hemmo, V. (2007). Science Education now. A renewed pedagogy for the future of Europe. European Commission, Directorate-General for research, Information and Communication Unit, High Level group on Science education (EUR 22845).

Θέμα 3
Βασικά στάδια μεταβολισμού και ρύθμισης μεταβολισμού της γλυκόζης. Βιολογική σημασία της γλυκόζης στον άνθρωπο. Να περιγραφούν πειραματικές μέθοδοι προσδιορισμού της σε βιολογικά εργαστήρια.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η διάσπαση υδατανθράκων, ιδιαίτερα της γλυκόζης, αποτελεί βασική πηγή ενέργειας του κυττάρου. Η πλήρης οξειδωτική διάσπαση της γλυκόζης προς CO2 και H2O μπορεί να γραφτεί ως εξής:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Η γλυκόλυση (glycolysis), το αρχικό στάδιο στην πορεία διάσπασης της γλυκόζης, είναι κοινή σε όλα σχεδόν τα κύτταρα. Μέσω των αντιδράσεων της γλυκόλυσης, η γλυκόζη διασπάται σε πυροσταφυλικό οξύ και συντίθενται δύο μόρια ΑΤΡ.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, η γλυκόλυση πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα. Το πυροσταφυλικό οξύ μεταφέρεται στη συνέχεια στα μιτοχόνδρια, όπου η πλήρης οξείδωσή του προς CO2 και H2O παράγει το μεγαλύτερο μέρος του ATP που προκύπτει από τη διάσπαση της γλυκόζης. Το επόμενο βήμα στον μεταβολισμό του πυροσταφυλικού οξέος είναι η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωσή του παρουσία του συνενζύμου Α. Το ακετυλο-CoA που σχηματίζεται από αυτή την αντίδραση εισέρχεται στον κύκλο του κιτρικού οξέος ή κύκλο του Krebs και στη συνέχεια ακολουθεί η οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Στα ζωικά κύτταρα, η σύνθεση της γλυκόζης, που ονομάζεται γλυκονεογένεση (gluconeogenesis), συνήθως ξεκινά από γαλακτικό οξύ (που παράγεται από την αναερόβια γλυκόλυση), αμινοξέα (που προκύπτουν από τη διάσπαση πρωτεϊνών) ή γλυκερόλη (που παράγεται από τη διάσπαση των λιπιδίων).
Ο μεταβολισμός της γλυκόζης ελέγχεται από διάφορες ορμόνες, όπως ινσουλίνη, γλυκαγόνη, επινεφρίνη.
Ο σακχαρώδης διαβήτης αποτελεί τη πιο συχνή διαταραχή του μεταβολισμού της γλυκόζης. Είναι μια ασθένεια που προσβάλλει πάνω από το 1% του παγκόσμιου πληθυσμού και έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι εντοπισμού της υψηλής συγκέντρωσης της γλυκόζης.

Όλοι οι οργανισμοί έχουν ανάγκη από ενέργεια για να διατηρήσουν την ομοιόσταση τους. Πηγές ενέργειας αποτελούν τα λίπη, οι υδατάνθρακες και οι πρωτεΐνες. Στην εικόνα 1 απεικονίζεται η μεταβολική τύχη των μακρομορίων αυτών με τελικό στόχο την παραγωγή ATP, το οποίο αποτελεί ενεργειακό νόμισμα.
Εικόνα 1: Μεταβολικά μονοπάτια των λιπιδίων, πρωτεϊνών και υδατανθράκων για την παραγωγή ATP. Συναντώνται στην παραγωγή ακετυλου-CoA.
JEREMY M. BERG, JOHN L. TYMOCZKO, LUBERT STRYER, Biochemistry 5th ed, ch 15
Η γλυκόζη είναι η κυρίαρχη πηγή ενέργειας για το ανθρώπινο σώμα. Προέρχεται από τους υδατάνθρακες της διατροφής, το αποθηκευμένο γλυκογόνο και από ενδογενή σύνθεση από πρωτεΐνες και τη γλυκερόλη των τριγλυκεριδίων.
Είναι το μοναδικό καύσιμο του εγκεφάλου σε κανονικές συνθήκες και των ερυθρών αιμοσφαιρίων.
Η γλυκόζη εισέρχεται στα κύτταρα μέσω ειδικών μεταφορικών μεμβρανικών πρωτεϊνών (Πίνακας 1) και έχει μια μοναδική διαδρομή, να φωσφορυλιώνεται με ATP και να σχηματίζει τη 6-φωσφορική γλυκόζη. Αυτό το βήμα είναι σημαντικό για δύο λόγους: η 6-φωσφορική γλυκόζη δεν μπορεί να διαχυθεί έξω από τα κύτταρα λόγω του αρνητικού φορτίου της και η προσθήκη της φωσφορικής ομάδας αποσταθεροποιεί το μόριο και συμβάλλει στον περαιτέρω μεταβολισμό της. [1,2] (Εικόνα 2)

Εικόνα 2: Φωσφορυλιώση της γλυκόζης από την εξοκινάση. [3] Πίνακας 1: Μεταφορείς γλυκόζης [4]
Μεταφορέας
Όργανο/ιστός
GLUT 1
Εγκέφαλος, ερυθροκύτταρα, νεφρά, εμβρυικό ιστό
GLUT 2
Ήπαρ, νεφρά, β κύτταρα παγκρέατος
GLUT 3
Εμβρυικό ιστό
GLUT 4
Σκελετικός και καρδιακός μυς, λιπώδης ιστός
GLUT 5
Λεπτό έντερο Η γλυκόζη εμπλέκεται σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια τα οποία ρυθμίζονται από πολλές ορμόνες: γλυκόλυση, γλυκονεογένεση, γλύκογενεση, γλυκογονόλυση. Η λέξη γλυκόλυση προέρχεται από το γλυκός και τη διάσπαση. Η αποσαφήνιση του μηχανισμού της γλυκόλυσης αποτέλεσε βασικό μοχλό για την ανάπτυξη της Βιοχημείας. Μία ανακάλυψη-σταθμός στην ιστορία της γλυκόλυσης έγινε το 1894, όταν οι Χάνς και Έντουαρντ Μπούχνερ (Hans και Eduard Buchner) παρασκεύασαν εκχυλίσματα ζύμης (χυμό από πεπιεσμένους ζυμομύκητες), τα οποία ήταν ικανά να μετατρέπουν τη σακχαρόζη σε αλκοόλη. Με τον όρο γλυκόλυση εννοούμε την αλληλουχία των αντιδράσεων η οποία μετατρέπει τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό με ταυτόχρονη παραγωγή ΑΤΡ. Η πορεία αυτή είναι όμοια σε αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες και γίνεται στο κυτταρόπλασμα. Στην πραγματικότητα, η μοναδική διαφορά μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας διάσπασης της γλυκόζης βρίσκεται στην παραπέρα τύχη του πυροσταφυλικού. Ένα ουσιώδες χαρακτηριστικό της γλυκόλυσης είναι ότι μπορεί να προχωρεί αναερόβια και να προμηθεύει το κύτταρο με ενέργεια. Κάθε mol γλυκόζης που διασπάται σε πυροσταφυλικό οξύ παράγει 200 kj, ποσό ενέργειας ικανό να δεσμεύσει δύο mol ανόργανου φωσφορικού δημιουργώντας έτσι δύο mol ΑΤΡ.

Η πορεία διάσπασης της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό γίνεται σε δέκα επιμέρους βήματα. Οι ενδιάμεσοι μεταβολίτες, καθώς και τα συνένζυμα που συμμετέχουν στην πορεία αυτή, παρουσιάζονται στην εικόνα 3. Εικόνα 3: Στάδια της γλυκόλυσης. (Βιοχημεία Γ! Λυκείου)

Η 6-φωσφορική γλυκόζη προκύπτει από την καταλυτική δράση δύο ενζύμων, της εξοκινάσης, η οποία φωσφορυλιώνει και άλλες εξόζες πλην της γλυκόζης, και της γλυκοκινάσης, η οποία έχει μεγάλη εξειδίκευση για τη γλυκόζη και παίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό της γλυκόζης στο ήπαρ. [5] Το επόμενο βήμα στη γλυκόλυση είναι η μετατροπή της 6-φωσφορικής γλυκόζης σε 6- φωσφορική φρουκτόζη. Εδώ η αλδεϋδομάδα μετατρέπεται σε κετονομάδα (ισομερισμός). [6] Η αντίδραση που ακολουθεί έχει ως στόχο την προσθήκη μίας δεύτερης φωσφορικής ομάδας, που προέρχεται και πάλι από το ΑΤΡ, με αποτέλεσμα να δημιουργείται η 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από τη φωσφοφρουκτοκινάση, ένα ένζυμο κλειδί για τη ρύθμιση της γλυκόλυσης. Το ένζυμο αυτό αναστέλλεται αλλοστερικά από υψηλές συγκεντρώσεις ΑΤΡ, ενώ αντίθετα ενεργοποιείται από το ADP και το AMP. Χάρη στην αλλοστερική αυτή ρύθμιση η ροή διάσπασης της γλυκόζης προσαρμόζεται στις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου. [7,8] Όταν υπάρχει περίσσεια ΑΤΡ (υψηλή ενεργειακή φόρτιση), η γλυκόλυση αναστέλλεται, γιατί το ΑΤΡ δρα ως αναστολέας. Αντίθετα, όταν υπάρχει ανάγκη σε ενέργεια έχει καταναλωθεί το ΑΤΡ και έχει σχηματιστεί ADP, οπότε ενεργοποιείται η φωσφοφρουκτοκινάση και ο ρυθμός της γλυκόλυσης αυξάνεται ταχύτατα. Η αναστολή της φωσφοφρουκτοκινάσης προκαλεί αναστολή και στην εξοκινάση. Ωστόσο, στο ήπαρ, η γλυκοκινάση δεν εμποδίζεται από την 6-φωσφορική γλυκόζη. Η γλυκοκινάση φωσφορυλιώνει τη γλυκόζη μόνο όταν είναι άφθονη, και ο ρόλος της είναι να παρέχει 6-φωσφορική γλυκόζη για τη σύνθεση του γλυκογόνου, μιας μορφής αποθήκευσης της γλυκόζης και για το σχηματισμό των λιπαρών οξέων. Η χαμηλή συγγένεια της γλυκοκινάσης για τη γλυκόζη παρέχει στο ήπαρ και τον εγκέφαλο γλυκόζη όταν η προσφορά είναι περιορισμένη, ενώ εξασφαλίζει ότι η γλυκόζη δεν θα σπαταληθεί όταν είναι άφθονη. Η 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη διασπάται στη συνέχεια σε δύο ισομερή μόρια φωσφορικής τριόζης, τη φωσφορική διυδροξυακετόνη και την 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΰδη, τα οποία μπορούν να αλληλομετατρέπονται με τη δράση ενός ειδικού ενζύμου. Η 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΰδη αποτελεί τον ενεργό μεταβολίτη που τροφοδοτεί την αλληλουχία των επόμενων αντιδράσεων της γλυκόλυσης. [9] Μέσω των προηγούμενων σταδίων της γλυκόλυσης, ένα μόριο γλυκόζης διασπάστηκε σε δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης. Για την ώρα δεν έχει κερδηθεί ενέργεια. Αντίθετα, έως εδώ καταναλώθηκαν δύο μόρια ΑΤΡ. Ερχόμαστε τώρα σε μία σειρά αντιδράσεων οι οποίες αξιοποιούν μέρος της ενέργειας της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης.

Η αρχική αντίδραση σε αυτή την πορεία είναι η μετατροπή της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης σε 1,3-διφωσφογλυκερινικό. Στην αντίδραση αυτή, που είναι η μοναδική οδειδοαναγωγική αντίδραση της γλυκόλυσης, ενσωματώνεται ανόργανο φωσφορικό, ενώ ταυτόχρονα ανάγεται ένα μόριο του συνενζύμου NAD+ προς NADH. Στην επόμενη αντίδραση καταλύεται η μεταφορά της φωσφορικής ομάδας από το 1,3- διφωσφογλυκερινικό προς το ADP, οπότε σχηματίζεται ένα μόριο ΑΤΡ. Στη συνέχεια το 3- φωσφογλυκερινικό μετατρέπεται σε 2-φωσφογλυκερινικό, το οποίο με αφυδάτωση δίνει το φωσφοενολοπυροσταφυλικο. [10] Τέλος απομακρύνεται η φωσφορική ομάδα του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος η οποία μεταφέρεται στο ADP και δημιουργείται το πυροσταφυλικό, που αποτελεί το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης. [11,12] (εικόνα 5) Από τις επιμέρους αντιδράσεις της γλυκόλυσης που παρουσιάσαμε προκύπτει η συνολική αντίδραση μετατροπής της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό: Γλυκόζη + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2 πυροσταφυλικό +2ATP + 2NADH + 2H+ + H2O Είναι φανερό ότι από τη μετατροπή ενός μορίου γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού το κύτταρο κερδίζει δύο μόρια ΑΤΡ, ενώ ταυτόχρονα σχηματίζονται και δύο μόρια NADH, η τύχη των οποίων συνδέεται με την παραπέρα μεταβολική τύχη του πυροσταφυλικού. (εικόνα 4)
Εικόνα 4: Μεταβολική τύχη πυροσταφυλικού οξέος.

Εικόνα 5: Ρύθμιση της γλυκόλυσης.Regulation of Glycolysis (http://www.csun.edu/~jm77307/Glycolysis.pdf)
Enzyme Activator (ενεργοποιητές)
Hexokinase AMP/ADP
Phosphofructokinase AMP/ADP,
Fructose-2,6-bisphosphate
Pyruvate kinase AMP/ADP
Fructose-1,6-bisphosphate
Enzyme Inhibitor (αναστολείς)
Hexokinase Glucose-6-phosphate
Phosphofructokinase ATP, Citrate
Pyruvate kinase ATP, Acetyl CoA, Alanine
Παρουσία οξυγόνου η γλυκόζη καίγεται πλήρως (μετατρέπεται δηλαδή σε CO2 + H2O), αποδίδοντας ταυτόχρονα ένα σημαντικό ποσό ενέργειας. Προκειμένου να επιτευχθεί η πλήρης οξείδωση της γλυκόζης, είναι απαραίτητη η συμμετοχή δύο ακόμα μεταβολικών δρόμων, του κύκλου του κιτρικού οξέος και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης το πυροσταφυλικό, το οποίο παράγεται από τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, εισέρχεται στα μιτοχόνδρια και μετατρέπεται σε ακετυλο-CoA (ουσία που τροφοδοτεί τον κύκλο του κιτρικού οξέος) σύμφωνα με την αντίδραση : Πυροσταφυλικό + NAD+ + συνένζυμο A → ακετυλο-CoA + CO2 + NADH. Αυτή η μη αντιστρεπτή διοχέτευση των προϊόντων της γλυκόλυσης στον κύκλο του κιτρικού οξέος καταλύεται από ένα πολυενζυμικό σύμπλεγμα, την πυροσταφυλική αφυδρογονάση, η ενεργότητα της οποίας ρυθμίζεται με πολλούς τρόπους, έτσι ώστε να εξυπηρετούνται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι ανάγκες του κυττάρου σε ενέργεια και ενδιάμεσους μεταβολίτες. Αναερόβια αποικοδόμηση της γλυκόζης Για να είναι δυνατή η συνεχής πορεία της γλυκόλυσης, πρέπει το NADH που σχηματίστηκε να επανοξειδωθεί σε NAD+. Η επανοξείδωση αυτή, κατά τον αερόβιο μεταβολισμό, επιτυγχάνεται διαμέσου της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Όταν όμως δεν υπάρχει οξυγόνο, πρέπει να βρεθεί κάποια άλλη λύση.

Στο μεταβολισμό των σπονδυλωτών, όταν το ποσό του διαθέσιμου οξυγόνου είναι οριακό, όπως στους μυς κατά την διάρκεια έντονης μυϊκής δραστηριότητας, το πυροσταφυλικό ανάγεται σε γαλακτικό με την δράση της γαλακτικής αφυδρογονάσης. Η παροδική συσσώρευση του γαλακτικού οξέος στα μυϊκά κύτταρα, όταν αυτά δεν προλαβαίνουν να εφοδιαστούν με οξυγόνο, δημιουργεί την αίσθηση του κάματου, προκειμένου ο οργανισμός να σταματήσει την έντονη δραστηριότητα. Το καθαρό ενεργειακό κέρδος στην περίπτωση αυτή είναι δύο μόλις ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης. Παρ όλα αυτά, το σχετικά πλούσιο σε ενέργεια γαλακτικό μεταφέρεται από τους σκελετικούς μυς στο ήπαρ, το οποίο τροφοδοτείται με οξυγόνο, προκειμένου να μεταβολιστεί περαιτέρω. (Εικόνα 6) [13]
Εικόνα 6: Μετατροπή πυροσταφυλικού σε γαλακτικό οξύ. Κάτω από αερόβιες συνθήκες το επόμενο βήμα στην πορεία της πλήρους διάσπασης της γλυκόζης είναι η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-συνένζυμο Α (ακετυλο-CoA). Αυτή η ενεργοποιημένη ακετυλο-ομάδα οξειδώνεται πλήρως σε CO2 μέσω μίας σειράς αντιδράσεων, που είναι γνωστή με το όνομα κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs. Εκτός από τα τελικά προϊόντα της διάσπασης των υδατανθράκων (πυροσταφυλικό) και τα προϊόντα του μεταβολισμού των λιπών και των αμινοξέων οξειδώνονται, στον κύκλο του κιτρικού οξέος, σε CO2. Έτσι, ο κιτρικός κύκλος είναι ο κοινός τελικός δρόμος για την αποικοδόμηση όλων των θρεπτικών ουσιών. [14,15,16] Τα τελικά προϊόντα του αερόβιου μεταβολισμού είναι, όπως ξέρουμε, CO2 και H2O Πρόκειται για τα ίδια προϊόντα που παράγονται και κατά τη χημική καύση. Το H2O παράγεται στην αναπνευστική αλυσίδα από φορτωμένα με υδρογόνο συνένζυμα NADH και FADH2, τα οποία επανοξειδώνονται παρέχοντας μέρος της ενέργειας που περιέχουν για τη σύνθεση του ΑΤΡ.

Η σημασία του κύκλου του κιτρικού οξέος δεν εξαντλείται με την παραγωγή CO2 και τη δημιουργία ανηγμένων συνενζύμων, τα οποία τροφοδοτούν την αναπνευστική αλυσίδα για την παραγωγή ενέργειας. Οι μεταβολίτες του κιτρικού κύκλου αποτελούν συγχρόνως μία μεγάλη δεξαμενή ενδιάμεσων προϊόντων, τα οποία χρησιμεύουν για τη σύνθεση νέου κυτταρικού υλικού, όπως αμινοξέα, αίμη της αιμοσφαιρίνης κ.ά. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα οι αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος πραγματοποιούνται μέσα στα μιτοχόνδρια, σε αντίθεση με τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, οι οποίες επιτελούνται στο κυτταρόπλασμα. Η συνολική εικόνα του κύκλου του κιτρικού οξέος φαίνεται στην εικόνα 7. Ο κύκλος αρχίζει με την συνένωση μίας μονάδας τεσσάρων ατόμων άνθρακα του οξαλοξικού και μίας μονάδας δύο ατόμων άνθρακα της ακετυλομάδας του ακετυλο-CοΑ, οπότε δημιουργείται το κιτρικό και απελευθερώνεται το συνένζυμο Α (βήμα 1). Επειδή η πρώτη αυτή αντίδραση οδηγεί στη σύνθεση του κιτρικού οξέος, η πορεία των αντιδράσεων που εξετάζουμε ονομάζεται κύκλος του κιτρικού οξέος. Στη συνέχεια, σχηματίζεται το ισοκιτρικό (βήμα 2), το οποίο αποκαρβοξυλιώνεται οξειδωτικά. Απομακρύνεται δηλαδή ένα μόριο CO2 οπότε παράγεται μία ένωση με πέντε άτομα άνθρακα, το α- κετογλουταρικό και ένα μόριο NAD+ ανάγεται σε NADH (βήμα 3). Ακολουθεί μία δεύτερη αντίδραση οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης, οπότε δημιουργείται μια ένωση με τέσσερα άτομα άνθρακα, το ηλέκτρυλο-CοΑ, και παράγεται ένα δεύτερο μόριο NADH (βήμα 4). Με τις δύο αυτές αντιδράσεις αποκαρβοξυλίωσης, ουσιαστικά η ακετυλομάδα που τροφοδότησε την πρώτη αντίδραση του κύκλου του κιτρικού οξέος απομακρύνεται ως CO2, οπότε προκύπτει και πάλι μία ένωση με τέσσερα άτομα άνθρακα. Οι αντιδράσεις που ακολουθούν έχουν σκοπό να αναγεννήσουν το οξαλοξικό που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη αντίδραση και να σχηματιστεί έτσι μια κυκλική πορεία αντιδράσεων. Το ηλεκτρυλο-CoA περιέχει ένα δεσμό υψηλής ενέργειας. 'Έτσι, όταν το ηλεκτρυλο-ΟοΑ μετατρέπεται σε ηλεκτρικό (βήμα 5) ο δεσμός υψηλής ενέργειας διασπάται και η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται για το σχηματισμό ενός μορίου GTP (τριφωσφορική γονανοσίνη) από GDP (διφωσφορική γονανοσίνη) και ανόργανο φωσφορικό οξύ (ένα μόριο GTP ισοδυναμεί ενεργειακά με ένα μόριο ΑΤΡ). Στη συνέχεια το ηλεκτρικό οξειδώνεται σε φουμαρικό με ταυτόχρονη αναγωγή ενός μορίου FAD σε FADH2 (βήμα 6), το φουμαρικό μετατρέπεται σε μηλικό (βήμα 7) και τέλος από το μηλικό αναγεννάται το οξαλοξικό με ταυτόχρονη δημιουργία ενός επιπλέον μορίου NADH (βήμα 8).

Εικόνα 7: Κύκλος κιτρικού οξέος – Krebs cycle

Γλυκονεογένεση Γλυκονεογένεση ονομάζουμε τη μεταβολική πορεία σύνθεσης της γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις. [17,18] Η διαδικασία αυτή είναι πολύ σημαντική, ιδιαίτερα σε περίοδο ασιτίας, γιατί ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί τη γλυκόζη ως βασικό καύσιμο. Η καθημερινή απαίτηση του εγκεφάλου ενός ενηλίκου σε γλυκόζη είναι 120 gr περίπου, ποσότητα η οποία αποτελεί τα 3/4 της γλυκόζης που χρειάζεται ολόκληρο το σώμα (160 gr). Η ποσότητα της γλυκόζης η οποία υπάρχει στα υγρά του σώματος είναι περίπου 20 gr και αυτή η οποία διατίθεται άμεσα από το γλυκογόνο, το οποίο αποτελεί την αποταμιευτική μορφή της γλυκόζης στα θηλαστικά, είναι περίπου 190 gr. Ετσι τα αποθέματα του οργανισμού σε γλυκόζη είναι αρκετά, για να καλύψει ο οργανισμός τις ανάγκες του για μια ημέρα περίπου. Προκειμένου όμως να μπορέσει ο οργανισμός να επιβιώσει για μεγαλύτερη περίοδο ασιτίας, πρέπει να συνθέσει γλυκόζη από μη υδατανθρακικές πηγές. Ακόμη η γλυκονεογένεση είναι απαραίτητη σε περιόδους εντατικής άσκησης, οπότε παράγεται μεγάλη ποσότητα γαλακτικού οξέος. Τα κύρια, μη υδατανθρακικά, πρόδρομα μόρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση της γλυκόζης είναι το γαλακτικό οξύ, ορισμένα αμινοξέα που ονομάζονται γλυκοπλαστικά αμινοξέα (π.χ. αλανίνη) και η γλυκερόλη. Τα μόρια αυτά εισέρχονται στη μεταβολική πορεία της γλυκονεογένεσης σε διαφορετικά σημεία. (εικόνα 8) Εικόνα 8: Πρόδρομα μόρια και πορείες της γλυκονεογένεσης.

Το γαλακτικό οξύ που προκύπτει από την αναερόβια διάσπαση της γλυκόζης στους σκελετικούς μύες και μετατρέπεται από το ένζυμο γαλακτική δευδρογονάση σε πυροσταφυλικό. Τα αμινοξέα προκύπτει από την διάσπαση των πρωτεϊνών κατά την ασιτία. Στα λιποκύτταρα η διάσπαση των τριγλυκεριδίων οδηγεί σε γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα δεν μπορούν να σχηματίσουν γλυκόζη, ενώ η γλυκερόλη μετατρέπεται σε φωσφορική διυδροξυακετόνη και εισέρχεται στο γλυκολυτικό μονοπάτι. (Εικόνα 9). Εικόνα 9: Μετατροπή γλυκερόλης σε φωσφορική διυδροξυακετόνη Κατά τη γλυκόλυση η γλυκόζη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ, ενώ κατά τη γλυκονεογένεση το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε γλυκόζη. Παρόλα αυτά η γλυκονεογένεση δεν είναι μία απλή αντιστροφή της πορείας της γλυκόλυσης. Οι αντιστρεπτές αντιδράσεις της γλυκόλυσης είναι κοινές αντιδράσεις και στη γλυκονεογένεση, ενώ οι μη αντιστρεπτές αντιδράσεις της γλυκόλυσης καταλύονται από άλλα ένζυμα. Με τον τρόπο αυτό το κύτταρο κατορθώνει να ελέγχει δύο μεταβολικές διεργασίες που έχουν διαφορετικό ρόλο και οι οποίες δεν μπορούν να προχωρούν χωρίς ρύθμιση η μία δίπλα στην άλλη, γιατί το μόνο που θα γινόταν ο αυτή την περίπτωση θα ήταν η άσκοπη κατανάλωση ενέργειας. (εικόνα 10) Το κύριο όργανο της γλυκονεογένεσης είναι το ήπαρ. Σύνθεση γλυκόζης γίνεται επίσης και στο φλοιό των νεφρών, αλλά η ολική ποσότητα της παραγόμενης γλυκόζης στους νεφρούς είναι το 1/10 της ποσότητας που παράγεται στο ήπαρ. Η γλυκονεογένεση βοηθά τη διατήρηση των επιπέδων της γλυκόζης στο αίμα σε φυσιολογικά όρια, ώστε ο εγκέφαλος και οι μυς να αντλούν τη γλυκόζη που χρειάζονται, για να ικανοποιήσουν τις μεταβολικές τους ανάγκες.

Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη

Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη

Semelhante a Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη (20)

Λυρατζοπουλος δομές πρωτεινών-διαβήτης-ουβικουιτίνη