Proteiner og nukleinsyrer

Denne artikkelen gir en introduksjon til struktur og funksjon hos proteiner og nukleinsyrer. De følgende artiklene om transkripsjon og oversetting bygger på informasjonen som gis her.

Proteiners mange funksjoner

Proteiner er interessante på grunn av de mange oppgavene de kan utføre, samt deres viktige rolle i arvelige egenskaper og sykdommer. Her er noen eksempler:

Skape muskelsammentrekning
Gjennom en muskel går alternerende bunter av myosiner og actiner, to typer lange proteiner. Når en muskel er avslappet er enden av hver myosin festet til enden av en actin. På signal fra en nerve begynner hver myosin å bevege seg langs actin slik at proteinene overlapper hverandre mer og mer, og dette skaper muskel-sammentrekning.

Produsere alkohol
Gjær benytter Heksokinase og elleve andre proteiner for å bryte ned glukose til CO₂ og etanol. Det er ved hjelp av denne nedbrytningsprosessen at alkoholholdige drikker produseres. I løpet av nedbrytningen dannes adenosin trifosfat (ATP), et molekyl som fungerer som drivkraft i mange av gjærens andre prosesser. (Mennesker bruker også ATP, blant annet for å drive bevegelsen av myosin langs actin, men mennesker kan ikke danne ATP ved å bryte ned glukose til etanol.)

Kontrollere blodsukkeret
Når en persons blodglukose (blodsukker) når en høy nok konsentrasjon vil spesialiserte celler i bukspyttkjertelen sende insulin-proteiner ut i blodet. Insulin flyttes via blodstrømmen gjennom kroppen og kan binde til reseptor-proteiner på muskelceller. Slike reseptorproteiner består av en ytre del som er eksponert på utsiden av cellen og en indre del som er eksponert på innsiden.

Idet insulin binder til den ytre delen forårsakes en strukturell endring i den indre delen. Dette setter igang molekyle reaksjoner inni cellen, som ender i at cellen tar opp mer glukose fra blodet og at glukose i økt grad omdannes til glykogen (et stort molekyl som fungerer som energilager inne i muskelcellen). Glukose i blodet transporteres inn i muskelcellene via GLUT4-proteiner i cellemembranenene, og større opptak av glukose skyldes en økning i antallet GLUT4.

Omdanne kjemisk energi til lys
Lysbiller (ildfluer) genererer lys ved bruk av proteinet luciferase sammen med et molekyl kalt luciferin. Luciferase omdanner luciferin til et annet molekyl i en prosess som samtidig frigjør én enkelt lysbølge (en foton, lyspartikkel). Prosessen er også avhengig av oksygen og ATP.

Sanse ulike farger
Inne i menneskers øyne finnes synsceller fylt med lysreseptorer. Hver lysreseptor består av et opsin-protein kovalent bundet til et molekyl kalt retinal. Dersom en retinal treffes av lys og absorberer lyset vil retinalen endre struktur, noe som skaper en strukturell endring også i opsinen. Dette fører til videre molekylære reaksjoner og ender med at et nervesignal sendes fra synscellen til hjernen.

Menneskers synsceller kan deles i fire grupper. En gruppe har gul-grønne lysreseptorer, en annen gruppe har grønne, en tredje har blå og en fjerde har blå-grønne. Cellene med gul-grønne, grønne, og blå lysreseptorer brukes sammen for å gi fargesyn, mens cellene med blå-grønne lysreseptorer brukes for natt- og sidesyn.

Beskrivelsene gul-grønn, grønn, blå, og blå-grønn refererer ikke til lysreseptorenes farger, men til den typen lys de absorberer mest effektivt. For eksempel vil grønne lysreseptorer absorbere grønt lys mer effektivt enn lys av andre farger, slik at disse reseptorene raskest endrer struktur når de utsettes for grønt lys. De gul-grønne lysreseptorene er ofte kalt røde lysreseptorer da det tidligere var antatt at de absorberte rødt lys mest effektivt.

Alle lysreseptorene inneholder identiske retinaler. Grunnen til at de absorberer fire forskjellige farger er at de inneholder fire forskjellige opsin-proteiner. Opsinen påvirker hvilken lysfarge den bundede retinalen absorberer mest effektivt, og hver av de fire opsinene har en ulik påvirkning på retinal, som resulterer i absorbering av fire forskjellige farger.

Rød-grønn fargeblindhet er en arvelig tilstand hvor en person ikke kan skille rødt fra grønt, og skyldes mangel på en funksjonell opsin i de grønne eller de gul-grønne lysreseptorene.

Bevegelse av bakterier
Noen bakterier har en hale kalt flagellum (flertall flagella) som er bygd av mange ulike proteiner. En del av proteinene sitter i cellemembranen og utgjør en molekylær motor som kan rotere i membran-planet. Utenfor cellen er det en lang propell, bygd fra mange kopier av flagellin-proteinet, som er festet til motoren. Denne propellmotor-halen lar bakterien bevege seg ("svømme") gjennom vann.

Svømmende bakterier av slekten Acotobacter (eller muligens Azotobacter eller Acetobacter dersom jeg skrev feil når jeg noterte navnet for mange år siden). Flagella er for små til å ses i dette mikroskopet. (Hvorfor bare noen av bakteriene beveger seg mens andre ikke gjør det vet jeg ikke.)

Proteinstruktur

Oppgaven som et protein kan utføre avgjøres av dets tredimensjonale struktur, som igjen avgjøres av hvordan proteinet er bygd opp. Alle proteiner bygges fra aminosyrer, små molekyler hvor et karbon er kovalent bundet til både en primær amin og en karboksyl-syre. Samme karbon er også bundet kovalent til et hydrogen og til en såkalt variabel gruppe, hvis atom-struktur varierer mellom ulike aminosyrer. Noen organismer bygger sine proteiner fra tyve ulike aminosyrer, mens andre organismer bruker de samme tyve pluss en ekstra (Selenocysteine, den "tjueførste aminosyren").

Navn og struktur for hver av de 21 ulike aminosyrene. — **Figur 1:** 2D-modeller av de 21 aminosyrene viser deres atomer og kovalente bindinger. De variable gruppene er markert med blå farge. For hver aminosyre vises den ioneformen som er mest vanlig ved pH 7. H₃N⁺ er en ionisert primær amin og COO^- er en ionisert karboksylsyre. **Notat:** Tekst i figurene er på engelsk for at figurene lettere skal kunne gjenbrukes i artikler som oversettes til engelsk.

Et kovalent bånd kan dannes mellom aminen på en aminosyre og karboksylsyren på en annen aminosyre. Hver aminosyre kan derfor binde kovalent med opptil to andre aminosyrer. Når aminosyrer binder sammen dannes en lineær kjede kalt et protein. Rekkefølgen som aminosyrene er satt sammen i kalles proteinets aminosyresekvens, og det er aminosyresekvensen som bestemmer proteinets tredimensjonale struktur og dermed dets funksjon (detaljene om dette vil være tema i en senere artikkel).

Strukturen til en aminosyrekjede. — **Figur 2:** Et eksempel på hvordan aminosyrer kan binde sammen til et kort protein. (Dette er ikke ment å vise noe virkelig protein som eksisterer i naturen.)

Evnen til vekst og reproduksjon er et av de definerende trekkene til levende organismer. Dersom en celle skal vokse og dele seg må den kunne lage flere proteiner, men selv om proteiner kan utføre mange oppgaver så er de ikke i stand til å replikere seg selv. For å lage proteiner med bestemte aminosyresekvenser trenger cellen nukleinsyrer, altså RNA og DNA (ribonucleic acid og deoxyribonucleic acid).

DNA-struktur

Mens proteiner er bygd fra aminosyrer, så er DNA bygd fra nukleotider. En nukleotid er et lite molekyl som består av en deoksy-ribose, en fosfat, og en nukleobase (normalt bare kalt en base). Deoksyribosen har fem karboner som identifiseres med numre: 1'-karbon, 2'-karbon, 3'-karbon, 4'-karbon og 5'-karbon. Deoksyriboses 1’-karbon er bundet kovalent til basen mens deoksyriboses 5’-karbon er bundet kovalent til fosfat. Basen varierer mellom ulike nukleotider, tilsvarende den variable gruppen hos aminosyrer. De vanligste basene kalles adenin, cytosin, guanin, og thymin (forkortet A, C, G, og T).

Struktur for de fire nukleotidene A, C, G, og T. — **Figur 3:** 2D-modeller av fire ulike nukleotider viser deres atomer og kovalente bindinger. Blå farge indikerer fosfat, rosa indikerer en base, og deoksyribose er uten farge. Navnet over hver nukleotid refererer til basens navn, ikke til nukleotidens navn. Fosfat vises i den ioneformen som er mest vanlig ved pH 7. Identifikasjonsnumre vises for deoksyriboses fem karboner.

Et kovalent bånd kan dannes mellom 3’-oksygen på en nukleotid og fosfat på en annen nukleotid (3'-oksygen er den oksygen som er bundet til deoksyriboses 3'-karbon). Hver nukleotid kan derfor binde med opptil to andre nukleotider. Når nukleotider binder sammen dannes en lineær eller sirkulær kjede kalt DNA (se Figur 4), og rekkefølgen som basene er satt sammen i kalles DNAs basesekvens.

(Lineært DNA er ikke nødvendigvis linjeformet, og sirkulært DNA er ikke nødvendigvis sirkelformet. Ordene lineær og sirkulær brukes istedet til å indikere om en DNA har to bestemte ender (som en linje), eller om den er uten bestemte ender (som en sirkel). Hos menneskeceller finnes lineært DNA i cellekjernen, mens sirkulært DNA finnes i mitokondriene.)

En DNA-kjede har to motgående retninger som begge defineres av tre kovalente bånd i deoksyribose: båndet mellom 5’-karbon og 4’-karbon, båndet mellom 4’-karbon og 3’-karbon, og båndet mellom 3’-karbon og 3’-oksygen. Den ene retningen kalles 5’-til-3’, og defineres som "veien" fra 5’-karbon gjennom de tre båndene til 3’-oksygen. Den andre retningen kalles 3’-til-5’ og er definert motsatt, altså veien fra 3’-oksygen til 5’-karbon (se Figur 4).

På en lineær DNA-kjede er hver ende av kjeden litt ulik den andre. På den ene enden av kjeden finnes en nukleotid hvor 3’-oksygen ikke er bundet til en annen nukleotid, dette kalles 3’-enden til DNA. På den andre enden finnes en nukleotid hvor fosfat ikke er bundet til en annen nukleotid, dette kalles 5’-enden til DNA, ettersom fosfat er bundet til deoksyriboses 5’-karbon.

En kjede av fire nukleotider som viser de to retningene og de to endene. — **Figur 4:** En lineær DNA av fire nukleotider. I hver deoksyribose er de tre kovalente båndene som definerer DNAs retninger markert med blå farge. (Denne modellen viser ikke de hydrogen som er bundet til karbon.)

DNA i celler er strukturert som dobbelhelikser, to heliks-formede DNA som er bundet sammen av hydrogenbånd mellom basene (se Figur 5). I slike dobbelhelikser gjelder følgende:
1. Hver Adenin i en DNA har to hydrogenbånd med en Thymin i den andre DNA.
2. Hver Thymin i en DNA har to hydrogenbånd med en Adenin i den andre DNA.
3. Hver Cytosin i en DNA har tre hydrogenbånd med en Guanin i den andre DNA.
4. Hver Guanin i en DNA har tre hydrogenbånd med en Cytosin i den andre DNA.
Ettersom A og T binder sammen så kalles de for komplementære baser, og en A bundet til en T kalles et basepar eller mer bestemt et AT-par. C og G kalles også komplementære baser og en C bundet til en G kalles et CG-par.

En annen detalj ved dobbelhelikser er at de to DNA binder sammen i motsatte retninger, altså at 5’-til-3’-retningen hos den ene DNA går langs 3'-til-5’-retningen hos den andre DNA. Slik binding kalles antiparallell. De to DNA sies derfor å ha antiparallelle komplementære basesekvenser. (Ordet "antiparallell" blir vanligvis ikke brukt og man sier bare at to basesekvenser er komplementære. Antiparallell binding er da implisitt.)

To antiparallelle komplementære DNA som er bundet sammen. — **Figur 5:** To antiparallelle komplementære DNA som er bundet sammen av fire basepar. Hydrogenbåndene mellom basene er markert med blå farge. DNA til venstre har sekvens 5'−ACTG−3' og DNA til høyre har sekvens 5'−CAGT−3'.

RNA og gener

RNA ligner på DNA i at begge er kjeder av nukleotider som er kovalent bundet sammen via 3’-oksygen og fosfat. Den definerende forskjellen mellom dem er at nukleotidene i RNA inneholder ribose, hvis 2’-karbon er bundet til en hydroksyl (OH), mens nukleotidene i DNA inneholder deoksyribose, hvis 2’-karbon er bundet til en hydrogen (H) (se Figur 6). Deoksyribose betyr "deoksygenert ribose", altså ribose som har mistet en oksygen.

De vanligste basene i RNA er adenin, cytosin, guanin og uracil (sistnevnte forkortes som U). Tre baser (adenin, cytosin og guanin) er altså vanlige i både DNA og RNA. En RNA kan binde til en DNA/annen RNA dersom de to har antiparallelle komplementære basesekvenser. Når dette skjer vil hver uracil i RNA danne to hydrogenbånd med en adenin i DNA/den andre RNA. Dette betyr at A og U er komplementære baser, så A er komplementær med både T og U.

Struktur til en ribonukleotid sammenlignet med en deoksyribonukleotid. — **Figur 6:** Strukturen til en ribose-nukleotid med basen uracil, sammenlignet med en deoksyribose-nukleotid med basen thymin. Ribose-nukleotiden har en 2’-hydroksyl (OH) mens deoksyribose-nukleotiden har en 2’-hydrogen (H), disse er indikert med blå farge. Uracil og thymin har nesten identiske strukturer, eneste forskjell er at uracil har en hydrogen (H) på et sted hvor thymin har en metyl (CH₃), disse er indikert med rosa farge. Den strukturelle likheten gjør at både thymin og uracil kan danne basepar med adenin.

Syntese av proteiner utføres ved hjelp av gener. Et gen er en basesekvens i DNA som kan oversettes til aminosyresekvensen i et protein. Oversettingen av et gen til et protein er indirekte: først blir basesekvensen i DNA transkriptert ("kopiert") til RNA, og deretter blir basesekvensen i RNA oversatt til aminosyresekvensen i et protein.

Oppsummering

Et protein er satt sammen av ulike aminosyrer, og rekkefølgen på aminosyrene bestemmer proteinets struktur og funksjon. Nukleinsyrer (DNA og RNA) består tilsvarende av ulike nukleotider som er satt sammen i en bestemt rekkefølge. To nukleinsyrer kan binde sammen via antiparallell komplementær baseparing. DNA inneholder basesekvenser kalt gener som kan transkripteres til RNA, og basesekvensene i RNA kan deretter oversettes til aminosyre-sekvensene i proteiner.

Tilbake til startsiden