BIOKEEMIA 2:

ORGAANILISED BIOMOLEKULID – PÕHIKLASSIDE LÜHIISELOOMUSTUS NING FÜSIOLOOGILINE ROLL

ORGAANILISED BIOMOLEKULID

Lihtbiomolekulid: 6 15 11Aminohapped, monoosid,lipiidid, nukleotiidid

Oligomeersed biomolekulid: 1.6 1 1Peptiidid, oligosahhariidid

Biomakromolekulid: 16 19 14Valgud, polüoosid, nukleiinhapped

Rakk 75 kg inimeneSisaldus (%) Sisaldus (%) Kaal (kg)

• Orgaanilised biomolekulid on organismis esinevad orgaanilised ained, mistäidavad inimorganismis vähemalt ühte biofunktsiooni

LIHTBIOMOLEKULIDE ISELOOMULIKUD OMADUSED

• Ehitusüksuste roll:• Lihtbiomolekulid on tihti suurte biomolekulide monomeerideks:

• Monomeerid seostuvad suuremateks biomolekulideks kovalentsete sidemetega:• Peptiidside valkudes• Glükosiidside polüoosides• Fosfodiesterside nukleiinhapetes

• Mitmekesisus:• Tuleneb erinevate funktsionaalsete gruppide sidaldusest

molekulis

• Stereoisomeersus ja konformatsioon:• Tulenevad süsinikuaatomi tetraeedrilisusest, asümmeetrilisest

süsinikuaatomist molekulis, kaksiksidemete olemasolust

• Komplementaarsuse printsiip:• Biomolekulid interakteeruvad komplementaarsuse alusel

(“vastavus-sobivus” alusel), näit.:• Ensüümi- ja substraadimolekul on komplementaarsed, s.t.

ensüümi aktiivtsentri ja substraadi elektroonsed ja geomeetrilised parameetrid “sobivad” seostumiseks

KUIDAS MOODUSTATAKSE BIOMOLEKULIDEST RAKK?

• Lihtbiomolekulidest (aminohapped, monoosid, nukleotiidid) pannakse biomakromolekulid kokku kovalentsete sidemete abil nii, et tekkivas primaarstruktuuris (näit. valgu järjestuses) on “baasinfo” makromolekuli kõrgemate struktuuritasemete moodustumiseks

• Biomakromolekulide ruumiline ehitus (konformatsioon) pannakse kokku arvukate nõrkade sidemete abil ja biomakromolekuli tiheda interaktsiooni tulemusena veemolekulidega

• Makromolekulidest kõrgemad tasemed (kromatiin, mikrotorukesed, biomembraanid, endoplasmaatiline retiikulum, Golgi kompleks, mitokondrid, rakutuum, jt.) assambleeruvad erinevate biomolekulide interaktsioonil nõrkade sidemete abil komplementaarsuse alusel ja tihedas vastaktoimes veemolekulidega, mis on raku kujunemise aluseks

EUKARÜOOTNE RAKK

INIMORGANISMI AMINOHAPPED

• Aminohappeid kui lihtbiomolekule kasutatakse inimorganismis:

• Ehitusüksustena:• Valkude, ensüümide, hormoonide, jne. sünteesiks

• Energeetiliste materjalidena (metaboolse kütusena):• Aminohapete süsinikskeleti lammutamisel saab

salvestada metaboolset energiat

• Eelühenditena:• Paljude signaalmolekulide (hormoonid,

neurotransmitterid) ja lihtbiomolekulide (süsivesikud, nukleotiidid) sünteesil

AMINOHAPPE DEFINITSIOON JA STRUKTUUR

• Aminohape on karboksüülhappe derivaat, mis sisaldab:• α-Aminorühma• Karboksüülrühma• Vesinikuaatomit• Radikaali, mis on karboksüülrühma kõrval oleva

süsiniku (α-süsinik) aatomi küljes

+H3N – C – H

Rα-Aminorühm

Karboksüülrühm

Radikaal, mille poolest aminohapped üksteisest

erinevad

COO–

• Füsioloogise pH juures on aminorühm protoneeritud ja karboksüülrühm karboksülaataniooni vormis:

α-Süsinik (Cα)

H+ H+

pH 1 pH 7 pH 11

+H3N – C – H

R

COO–

H2N – C – H

R

COO–

+H3N – C – H

R

COOH

AMINOHAPETE KLASSIFIKATSIOONID

• Aminohapete üldliigendus:• Proteinogeensed aminohapped:

• Valkude ehitusüksused• Aproteinogeensed aminohapped:

• Valkudes mitteesinevad aminohapped

• Proteinogeenseid aminohappeid on inimorganismis 20:• Inimese geenetilises koodis on olemas vähemalt üks

koodon iga aminohappe jaoks• Valkudes on vaid L-aminohapped:

• Kokku on elavast leitud üle 300 aminohappe

H

COO–

R

NH3+

H

COO–

R

NH3+

L-isomeer D-isomeer

Cα Cα

PROTEINOGEENSED AMINOHAPPED

• 20 aminohapet, mis erinevad üksteisest radikaali (R-grupi)

poolest:

• Klassifikatsioon baseerub tavaliselt R-grupi

polaarsusel ja laengul füsioloogilise pH juures:

• Apolaarne R-grupp

• Apolaarne aromaatne R-grupp

• Polaarne laenguta R-grupp

• Polaarne laetud R-grupp

• Klassifitseeritakse samuti:

• Happelised aminohapped

• Aluselised aminohapped

• Neutraalsed aminohapped

• Aromaatsed aminohapped

• Hüdroksüaminohapped

• Väävlitsisaldavad aminohapped

• Aminohapete amiidid

• Asendamatud ja asendatavad aminohapped

APOLAARSED R-GRUPIGA AMINOHAPPED

H CH3 CH

H3C CH3

Glütsiin(Gly, G)

Alaniin(Ala, A)

Valiin(Val, V)

CH

H3C CH3

CH2

Leutsiin(Leu, L)

H – C – CH3 CH2

CH3

Isoleutsiin(Ile, I)

+H3N – C – H

COO–

+H3N – C – H

COO–

+H3N – C – H

COO–

+H3N – C – H

COO–

+H3N – C – H

COO–

+H2N — C – H

COO–

CH2

H2C

Proliin(Pro, P)

CH2

PROLIINI ERIPÄRA

CH2

+H2N — C – H

COO–

CH2

H2C

• Proliin on keemilise struktuuri järgi iminohape:• Proliini R-grupp on seotud nii α-süsiniku kui

aminorühma lämmastiku aatomiga• Tekkiv tsükliline struktuur soodustab valkudes

ββββ-kihi struktuuri tekkimist

APOLAARSED AROMAATSE R-GRUPIGA AMINOHAPPED

+H3N – C – H

COO–

CH2

C

+H3N – C – H

COO–

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

OHN

CH

H

Fenüülalaniin(Phe, F)

Türosiin(Tyr, Y)

Trüptofaan(Trp, W)

POLAARSED LAENGUTA R-GRUPIGA AMINOHAPPED

H – C – OH

+H3N – C – H

COO–

H SH

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

Seriin(Ser, S)

Tsüsteiin(Cys, C)

Metioniin(Met, M)

S

CH3

H – C – OH

+H3N – C – H

COO–

CH3

Treoniin(Thr, T)

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

Asparagiin(Asn, N)

Glutamiin(Gln, Q)

O NH2

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

O NH2

CH2

POLAARSED LAETUD R-GRUPIGA AMINOHAPPED

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

Aspartaat(Asp, D)

Glutamaat(Glu, E)

O O–

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

O O–

CH2

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

CH2

NH3+

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

N – H

C NH2+

NH2

C

+H3N – C – H

COO–

CH2

C

CH

H

+HN NH

Arginiin(Arg, R)

Lüsiin(Lys, K)

Histidiin(His, H)

HAPPELISED AMINOHAPPED

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

Aspartaat(Asp, D)

Glutamaat(Glu, E)

O O–

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

O O–

CH2

• Aspartaadi ja glutamaadi R-grupid sisaldavad karboksüülrühma, mis on füsioloogilise pH juures negatiivselt laetud

ALUSELISED AMINOHAPPED

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

CH2

NH3+

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

N – H

C NH2+

NH2

C

+H3N – C – H

COO–

CH2

C

CH

H

+HN NH

Arginiin(Arg, R)

Lüsiin(Lys, K)

Histidiin(His, H)

• Lüsiini ja arginiini R-grupid on füsioloogilise pH juures positiivselt laetud

• Histidiini R-grupp võib sõltuvalt ümbritsevast keskkonnast olla laenguta või positiivselt laetud:• Histidiin esineb tihti ensüümide aktiivtsentris

• Arginiini ja lüsiini R-grupid on proteinogeensete aminohapete hulgas pikimad

εεεε-aminorühm

NEUTRAALSED AMINOHAPPED

• Kõik ülejaanud aminohapped, s.t. mittehappelised ja mittealuselised aminohapped:• Glütsiin, alaniin, valiin, leutsiin, isoleutsiin, proliin, fenüülalaniin,

türosiin, trüptofaan, seriin, tsüsteiin, metioniin, treoniin, asparagiin, glutamiin

AROMAATSED AMINOHAPPED

+H3N – C – H

COO–

CH2

C

+H3N – C – H

COO–

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

OHN

CH

H

Fenüülalaniin(Phe, F)

Türosiin(Tyr, Y)

Trüptofaan(Trp, W)

• Fenüülalaniin ja trüptofaan on väga aromaatsed

• Türosiin on fenüülalaniinist vähem aromaatne fenüülrühma küljes oleva hüdroksüülrühma tõttu

HÜDROKSÜAMINOHAPPED

H – C – OH

+H3N – C – H

COO–

H

Seriin(Ser, S)

H – C – OH

+H3N – C – H

COO–

CH3

Treoniin(Thr, T)

• Seriini ja treoniini hüdroksüülrühmad teevad nad palju hüdrofiilsemateks ja reaktiivsemateks võrreldes alaniini ja valiiniga

VÄÄVLITSISALDAVAD AMINOHAPPED

SH

+H3N – C – H

COO–

CH2

CH2

+H3N – C – H

COO–

CH2

Tsüsteiin(Cys, C)

Metioniin(Met, M)

S

CH3

• Tsüsteiini tioolrühm (–SH) on väga reaktiivne:• Kahe tsüsteiinimolekuli tioolrühma baasil tekkiv

disulfiidside (–S–S–) esineb paljudes valkudes ning omab tähtsust nende sekundaar- ja tertsiaarstruktuuri tagamisel

• Esineb tihti ensüümide aktiivtsentris

AMINOHAPETE AMIIDID

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

Asparagiin(Asn, N)

Glutamiin(Gln, Q)

O NH2

CH2

+H3N – C – H

COO–

C

O NH2

CH2

• Asparagiin on aspartaadi amiid ja glutamiin on glutamaadi amiid

ASENDAMATUD AMINOHAPPED

• Asendamatud e. essentsiaalsed aminohapped on aminohapped, mida inimorganism ise ei sünteesi (vajamineva koguse peab organism saama toiduga):

• Histidiin• Isoleutsiin• Leutsiin• Lüsiin• Metioniin• Fenüülalaniin• Treoniin• Trüptofaan• Valiin

PROTEINOGEENSETE AMINOHAPETE DERIVAADID

• Inimorganismis on aminohappeid, mille jaoks vastav koodon geneetilises koodis puudub:• Tekivad põhiaminohapete translatsioonijärgsel ensümaatilisel

modifitseerimisel• Lisab valkudele uusi omadusi ja on tihti aluseks valgu mingi

spetsiifilise funktsiooni täitmiseks, näit.:

CH2

+H2N — C – H

COO–

CH

H2C

Hüdroksüproliin:Stabiliseerib

kollageeni struktuuri, millel pühineb sidekoe

elastsus

OH

CH2

+H3N – C – H

COO–

–OOC COO–

CH

γγγγ-Karboksüglutamaat:Tagab vere

hüübimisfaktori protrombiini kaltsiumi

sidumisvõime

APROTEINOGEENSED AMINOHAPPED

• Rakus vabalt või mittevalguliste ühendite koostises olevad aminohapped, näit.:• Ornitiin ja tsitrulliin:

• Arginiini ja karbamiidi eelühendid• ββββ-Alaniin:

• Mitme vitamiini komponent• γγγγ-Aminobutüraat:

• Neurotransmitter• Tauriin, homoseriin, homotsüsteiin

• Metioniini metaboliit

AMINOHAPETE HAPPELIS-ALUSELISED OMADUSED

• Amino- ja karboksüülrühma tõttu on aminohapped vesilahustes bipolaarse ioonina (tsvitter-ioonina):

• Sõltuvalt keskkonna pH-st käituvad aminohapped prootoni doonoritena (lahus on nõrk hape) või prootoni aksteptoritena (lahus on nõrk alus):• Alaniini kui neutraalse aminohappe käitumine happena või

alusena:

pH 7

+H3N – C – H

R

COO–

pH < 7pH > 7

+H3N – C – H

CH3

COO–

H2N – C – H + H+

CH3

COO–

+H3N – C – H

CH3

COOH

+H3N – C – H + H+

CH3

COO–

AMINOHAPPE ISOELEKTRILINE PUNKT: pI

• Iga aminohappe jaoks leidub pH väärtus, mille juures ta on elektriliselt neutraalne, s.t. anioonsed ja katioonsete laengud on võrdsed:• Isolektiline punkt – pI• pI juures aminohape elektriväljas ei liigu

• pI väärtust määratakse aminohappe α-karboksüülrühma, α-aminorühma ja ioniseeruvate R-grupi rühmade dissotsiatsioonikonstantide kaudu

• pH määrab ära aminohapete laengulised omadused:• Kui pH < pI, siis on aminohape positiivselt laetud• Kui pH > pI, siis on aminohape negatiivselt laetud

AMINOHAPETE REAKTSIOONID INIMORGANISMIS

• Aminohapped annavad reaktsioone oma funktsionaalsete rühmade tõttu:• α-Karboksüülrühm (– COOH)• α-Aminorühm (– NH2)• εεεε-Aminorühm (asub lüsiini R-grupis)• Hüdroksüülrühm (– OH)• Tioolrühm (– SH)

• Aminohapete peamised reaktsioonid inimorganismis:• Peptiidsideme teke:

• peptiidide ja valkude biosüntees• Dekarboksüülimine:

• CO2 elimineerimine, mille käigus tekivad enamasti amiinid, mis töötavad signaalmolekulidena (hormoonid, neurotransmitterid)

• Amiidide süntees:• Omab tähtsust tekkiva toksilise ammoniaagi sidumises, kahjutusk

tegemisel ja transpordis• Reduktiivne amiinimine:

• Toimub aminohapete sünteesil• Transamiinimine:

• Üks aminohapete metabolismi võtmeprotsesse organismis, mille eesmärk on aminorühma kogumine glutamiinhappe molekulide vormis

H3N+ – CH – C – N – CH – C

R1 R2O

H

Peptiidside

Dipeptiid

PEPTIIDSIDEME TEKE

• Ühe aminohappe α-karboksüülrühm interakteerub teise aminohappe α-aminorühmaga, mille käigus eraldub veemolekul ja tekib peptiidside:

• Peptiidside on kovalentne side, mis seob aminohappejääke peptiidides ja valkudes

• Reaktsiooni tasakaal on tugevalt hüdrolüüsi suunas:• Peptiidsideme süntees vajab energiat

+H3N – C – C

H

R1

O

O–

+H3N – C – C

H

R2

O

O–+

O

O–+ H2O

+H3N – CH – C – N – CH – C – N – CH – C – N – CH – C – N –CH – C

R1 R2 R3O O

H H

Pentapeptiid

N-terminus C-terminus

POLÜPEPTIIDI STRUKTUUR

• Polüpeptiid koosneb korduvatest peptiidgruppidest ja erinevatest R-gruppidest:• Peptiidi ühte otsa jääb vaba aminorühm:

• N-terminus• Peptiidi teise otsa jääb vaba karboksüülrühm:

• C-terminus

• DNA ja mRNA 5’-ots vastab biosünteesitud peptiidi/valgu N-terminusele ja 3’-ots vastab C-terminusele

H H

R4 R5O O

O

O–

PEPTIIDSIDEME OMADUSED

– C – N – – C N –

O O–

+

H H

• Peptiidsidemes oleva karbonüülrühma süsiniku ja lämmastiku aatomi vaheline side on osaliselt kahekordne:

• Vastav side on lühem kui C – N üksiside:• 1.32 Å

• C – N üksiside: 1.49 Å• C = N kaksikside: 1.27 Å

• Peptiidsidemel puudub vaba rotatsioon:• Peptiidside on rigiidne• Peptiidgrupi aatomid paigutuvad ühele tasapinnale

(koplanaarselt)

PEPTIIDSIDEME KONFORMATSIOON

Cα

C

N

Cα

O

HH

R1

HR2

C

O

N

H

Cα

HR3

1.32 Å1.51 Å

1.46 Å

1.24 Å

• Aminorühma vesinikuaatom on alati trans-konformatsioonis karbonüülrühma hapniku aatomiga

• Peptiidgrupid ning R-grupid võivad α-süsiniku (Cα) suhtes vabalt pöörelda

PEPTIIDIDE FUNKTSIOONID INIMORGANISMIS

• Inimorganismis on rohkesti bioaktiivseid peptiidimolekule, mis täidavad tähtsaid funktsioone, näit.:

• Signaalmolekulid:• Peptiidhormoonid, neurotransmitterid:

• Gastrointestinaalpeptiidid, neuropeptiidid, hüpofüüsi peptiidhormoonid, peptiidsed hüpotaalamuse faktorid, vasoaktiivsed peptiidid

• Taandavate ja antioksüdantsete omadustega peptiidid:• Glutatioon

MILLE POOLEST ERINEB VALK PEPTIIDIST?

• Klassifikatsioon aminohappejääkide arvu järgi (tinglik):

• Oligopeptiid: 2 – 20 aminohappejääki

• Polüpeptiid: 20 – 50 aminohappejääki

• Valk: üle 50 aminohappejäägi (Mr > 5500)

• Klassifikatsioon struktuuri järgi:

• Valkudel on füsioloogistes tingimustes kindel

kolmedimensionaalne struktuur, millest sõltub valgu

funktsioon

VALKUDE ÜLDTUNNUSJOONED

• Valgud on biomakromolekulid

• Valgud koosnevad erinevate aminohapete jääkidest, mis tagab nende individuaalsuse

• Valkudes esineb mitmetasemeline struktuurne organisatsioon

• Valgud omavad spetsiifilisi aktiivalasid ligandide sidumiseks

VALGU PRIMAARSTRUKTUUR

• Kovalentne struktuur, mis kujutab peptiidsidemetega seotud aminohappejääkide kindlat järjestust antud valgus ning disulfiidsidemete olemasolul nende kindlat paigutust:• Näit.: insuliinil on 2 polüpeptiidahelat (A ja B), kaks

intermolekulaarset (ahelatevahelist) disulfiidsidet ning üks intramolekulaarne disulfiidside (A ahelal):

+H3N-Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn-C

+H3N-Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys- ... -Ala-C

A ahel

B ahel

O

NH2

O

O–

S

S S

S

S S

5 10 15 21

5 10 15 ... 30

VALGU SEKUNDAARSTRUKTUUR

• Peamiselt vesiniksidemete abil fikseeritud ruumikujund:• Vesiniksidemete rohkus ühes valgumolekulis tagab

struktuuri stabiilsuse

• Sekundaarstruktuuri “tekkeprogramm” seisab primaarstruktuuri aminohappelises järjestuses

Sekundaarstruktuuri põhivormid:• α-heeliks• ββββ-kiht

C

O

H

N

H

N

C

O

...

...

...

• Polüpeptiidahela paremale pöörduv helitseerunud konformatsioon

• Heeliksit stabiliseerivad vesiniksidemed põhiahela amiidide ja karbonüülgruppide vahel:• Iga aminohappe CO grupp moodustab vesiniksideme 4 aminohappe

jääki edasi oleva NH grupiga• Heeliksi ühes keerus on 3.6 aminohappejääki

• Teised stabiliseerivad jõud:• Heeliksi “tüvest” väljuvate R-gruppide hüdrofoobsed interaktsioonid• Erinimeliste laengutega R-gruppide elektrostaatilised interaktsioonid

+H3N – CH – C – N – CH – C – N – CH – C – N – CH – C – N –CH – C –

R1 R2 R3O

OH

H

H

HR4 R5O

O

O

α-HEELIKSI OMADUSED

ββββ-KIHI OMADUSED

Paralleelne ββββ-kiht Antiparalleelne ββββ-kiht

• Peamiselt vesiniksidemete abil kujunenud kihilis-voldilinekonformatsioon:• Vesiniksidemed seovad voltunud erinevate molekulide

polüpeptiidahelaid• Polüpeptiidahelad on peaaegu “lineaarse” struktuuriga• Esineb paralleelne ja antiparalleelne ββββ-kiht:

• Teised stabiliseerivad jõud:• Aminohappejääkide R-gruppide hüdrofoobsed interaktsioonid• Erinimeliste laengutega R-gruppide elektrostaatilised

interaktsioonid

VALKUDE KÕRGEMAD STRUKTUURITASEMED

• Tertsiaarstruktuur:• Globulaarne või fibrillaarne kolmemõõtmeline

konformatsioon:• Formeerub polüpeptiidahela spetsiifilisel tihedal

kokkupakkumisel:• Valgumolekul püüab saavutada maksimaalselt

stabiilset (vaba energia miinimumi omavat) kuju• Tertsiaarstruktuuri stabiliseerivad põhiliselt

nõrgad sidemed (ioonsed, vesiniksidemed, hüdrofoobsed interaktsioonid)

• Kvaternaarstruktuur:• Valgumolekulis on vähemalt kaks tertsiaarstruktuuriga

polüpeptiidahelat ehk subühikut:• Subühikuid seovad nõrgad sidemed (mõnes valgus

lisandub disulfiidside)

VALKUDE FUNKTSIOONID INIMORGANISMIS

• Valgud täidavad parktiliselt kõigis bioloogilistes protsessides olulisi funktsioone:

• Ensümaatiline/katalüütiline:• Enamus keemilisi reaktsioone bioloogilistes

süsteemides katalüüsitakse ensüümide poolt, mis on biokatalüsaatorid:• Peaaegu kõik ensüümid on valgud

• Transpordifunktsioon:• Ainete transport biovedelike kaudu (näit. hemoglobiin)• Transport läbi biomembraanide (näit. Na+-K+-pump)

• Kontraktsioonifunktsioon (näit. müosiin, aktiin)

• Struktuurne funktsioon (näit. kollageenid, elastiinid)

• Immuunfunktsioon (näit. antikehad)

• Närviimpulsi teke ja ülekanne (näit. retseptorid)

• Kasvu ja jagunemise kontroll (näit. kasvufaktorid)

SÜSIVESIKUD

• Süsivesikud on aldehüüdide või ketoonide ühendid, mis sisaldavad hüdoksüülrühmi

• Klassifikatsioon molekuli suuruse järgi:

• Monosahhariidid e. monoosid

• Oligosahhariidid:• Sisaldavad 2 – 10 monoosijääki

• Polüsahhariidid e. polüoosid:• Homopolüoosid• Heteropolüoosid

MONOSAHHARIIDID (MONOOSID)

• Monosahhariidid on kahte või enamat hüdroksüülrühma sisaldavad aldehüüdid või ketoonid:• Monooside empiiriline valem on (CH2O)n, kus on on 3 – 7• Liigendatakse funktsionaalse rühma järgi:

• Aldoosil on aldehüüdrühm• Ketoosil on ketoonrühm

O H

C

H – C – OH

CH2OH

CH2OH

C O

CH2OH

Glütseraldehüüd(Aldoos)

Dihüdroksüatsetoon(Ketoos)

FÜSIOLOOGILISELT TÄHTSAD MONOOSID

Cn Üldnimed Aldoosid Ketoosid

3 Trioosid Glütseraldehüüd Dihüdroksüatsetoon

4 Tetroosid Erütroos Erütroloos

5 Pentoosid Riboos RibuloosKsüloos Ksüluloos

6 Heksoosid Glükoos FruktoosGalaktoosMannoos

7 Heptoosid Sedoheptuloos

MONOOSIDE STEREOISOMEERID

• Isomeerid on ühesuguse elementaarkoostisega, kuid erinevate füüsikaliste ja keemiliste omadustega orgaanilised ühendid

• Monoosi stereoisomerism tuleneb hiraalsetest (asümmeetrilistest) süsiniku aatomitest:• D-isomeeris on aldehüüd- või ketketoonrühmast kaugeima

hiraalse süsiniku aatomi juures olev hüdroksüülrühm paremal:

O H

C

H – C – OH

CH2OH

D-Glütseraldehüüd

O H

C

HO – C – H

CH2OH

L-Glütseraldehüüd

O H

C

H – C – OH

CH2OH

D-Glükoos

HO – C – H

H – C – OH

H – C – OH

O H

C

H – C – OH

CH2OH

L-Glükoos

HO – C – H

H – C – OH

HO – C – H

PENTOOSID JA HEKSOOSID MOODUSTAVAD TSÜKLILISE VORMI

• Pentoosid ja heksoosid esinevad vesilahuses peamiselt tsüklilises, mitte lineaarses vormis:• Tsükliline vorm tekib aldehüüdi või ketooni reageerimisel

alkoloholiga:

R – CO

H+ HOR’ R – C – OR’

H

OH

Aldehüüd Alkohol

R

R’

C O + HOR’’

Ketoon Alkohol

R OR’’

R’ OH

C

GLÜKOOSI JA FRUKTOOSI TSÜKLILISED VORMID:GLÜKOPÜRANOOS JA FRUKTOFURANOOS

O H

C

H – C – OH

CH2OH

D-Glükoos

HO – C – H

H – C – OH

H – C – OH

1

6

CH2OH

OH

OHOHH

H

H

H

H

HO

O

1

23

5

6

4

α-D-Glükopüranoos

O CH2OH

OH

OH

H HO

H

H

HOH2C

CH2OH

C

CH2OH

HO – C – H

H – C – OH

H – C – OH

O

D-Fruktoos D-Fruktofuranoos

MONOSAHHARIIDID INIMORGANISMIS

• Enamus monoose inimorganismis on D-isomeerid

• Funktsioonid inimorganismis:

• Glükoosi metabolismi vaheühendid:• Glütseraldehüüd, dihüdroksüatsetoon, erütroos

• Nukleotiidide ehitusüksused:• Riboos

• Süsivesikute metabolismi vaheühendid:• Ksüluloos, ribuloos

• Glükoos on inimorganismi keskne monoos:• Veresuhkur

FOSFOSAHHARIIDID

• Monooside derivaadid, mis on süsivesikute metabolismi tähtsad vaheühendid:• Fosforüleerimine annab monoosimolekulile negatiivse laengu,

mistõttu molekul ei saa rakust välja difundeeruda (vajaliku taseme säilitamine)

CH2

OH

OHOHH

H

H

H

H

HO

O

Glükoos-6-fosfaat

O

O–

–O – P OO H

C

H – C – OH

CH2

Glütseraldehüüd-3-fosfaat

O

O–

–O – P O

GLÜKOSIIDID

• Glükosiidid on glükosiidsideme abil moodustunud monoos-monoos või monoos-mittesahhariid kompleksid:• Esineb O-glükosiid- ja N-glükosiidsidet:

CH2OH

OH

OHOHH

H

H

H

H

O

O

CH2OH

OH

OHH

H

H

H

H

OO

H

HO

H H

OH

H

HOH2C

CC

CHC

N

N

N

N

CH

NH2

HO

O-glükosiid-side

N-glükosiid-side

Maltoos Adenosiin

OLIGOSAHHARIIDID

• Oligosahhariidid on liitsüsivesikud:• Sisaldavad 2 – 10 monoosijääki, mis on seotud

omavahel glükosiidsidemetega:• Esineb α-ja ββββ-glükosiidsidet:

CH2OH

OH

OHOHH

H

H

H

H

O

O

CH2OH

OH

OHH

H

H

H

H

O

HO

Maltoos(Glükoos-α(1→4)-glükoos)

CH2OH

OH

OHOHH

H

H

H

H

O

O

CH2OH

OH

OHH

H

HH

H

O

HO

Tsellobioos(Glükoos-ββββ(1→4)-glükoos)

α-glükosiid-side

ββββ-glükosiid-side

FÜSIOLOOGILISELT OLULISED DISAHHARIIDID

• Laktoos (piimasuhkur):• Koosneb galaktoosi- ja glükoosijäägidest• Piima põhiline süsivesik

• Sahharoos (peedisuhkur, roosuhkur):• Koosneb glükoosi- ja fruktoosijääkidest• Toidusuhkur

• Maltoos (linnasesuhkur):• Koosneb kahest glükoosijäägist

POLÜSAHHARIIDID (POLÜOOSID)

• Liitsüsivesikud, millel on varuaine ja ehituslikud funktsioonid:• Monoosijäägid on seostunud α- või ββββ-glükosiidselt• Polüooside molekulid võivad olla lineaarsed, spiraalsed

või sfäärilised

• Homopolüoosid:• Sisaldavad ühtainsat tüüpi monoosijääki

• Heteropolüoosid:• Sisaldavad eri tüüpe monoosijääke:

• Koosnevad reeglina korduvatest disahhariidsetest “plokkidest”, mis omakorda koosnevad erinevate monooside derivaatidest

OLULISED HOMOPOLÜOOSID

• Varupolüoosid:• Näit. glükogeen:

• Veresuhkru (glükoosi) lühiajaline varu inimorganismis (säilitatakse peamiselt maksas ja skeletilihastes)

• Monomeeriks on α-D-glükoos

• Struktuursed polüoosid:• Näit. tselluloos:

• Eluslooduse levinuimehitusbiopolüummer• Monomeeriks on ββββ-glükoos

SÜSIVESIKUTE BIOFUNKTSIOONID

• Energeetiline funktsioon:• Süsivesikute keskne funktsioon:

• Glükoosi täielik oksüdatsioon süsihappegaasiks ja veeks katab 55 – 60% inimorganismi energiavajadusest

• Energeetiliseks varuaineks on maksa ja lihaste glükogeen

• Varuaine funktsioon:• Glükogeen

• Biosünteetiline funktsioon:• Kasutatakse rasvhapete, aminohapete, j.t. teiste ühendite

süsinikskeleti loomise aluseks

• Struktuurne funktsioon:• Monoosid ja nende derivaadid on polüooside monomeerid

• Bioregulatoorne funktsioon:• Kasutatakse mõningate hormoonide ja koensüümide

komponentidena

LIPIIDID

• Lipiidid erinevad oluliselt teistest biomolekulidest selle poolest, et nad on vees mittelahustuvad ning orgaanilistes lahustites (näit. kloroform) lahustuvad biomolekulid

• Lipiidid on reeglina alkoholi ja rasvhapete estrid:• Koosnevad vähemalt kahest komponendist:

• Alkohol• Rasvhape:

• Karboksüülhape, mille süsinikuahelas on 4 – 36 süsinikku

• Inimorganismis on lipiidide alkoholideks:• Glütserool (kolmevalentne alkohol)• Sfingosiin (aminoalkohol)• Kolesterool (küllastamata tsükliline alkohol)

• Lipiidides on rasvhapetel reeglina:• Pikk hargnemata süsinikahel• Paarisarv süsiniku aatomeid (inimorganismi lipiidide

rasvades 16 -20)

LIPIIDIDE KLASSIFIKATSIOON

• Lihtlipiidid:• Triatsüülglütseriidid• Vahad

• Liitlipiidid:• Glütserofosfolipiidid• Sfingolipiidid:

• Fosfosfingolipiidid• Glükosfingolipiidid

• Tsüklilised lipiidid:• Kolesteriidid

TRIATSÜÜLGLÜTSERIIDID

• Triatsüülglütseriidid on glütserooli ja rasvhapete estrid:

CH2 – CH – CH2

OH OH OH

Glütserool

R – CO

H

Rasvhape

+

CH2 – CH – CH2

O O O

C O C O C O

R R R

Triatsüülglütseriid

LIPIIDIDE BIOFUNKTSIOONID

• Energeetiline funktsioon:• Metaboolse energia varu

• Termoregulatoorne funktsioon:• Rasvkude tagab termoisolatsiooni

• Mehhaaniline funktsioon:• Rasvkude kaitseb siseorganeid

• Struktuurne funktsioon:• Osalemine biomembraanides

• Transpordi funktsioon:• Rasvlahustuvate vitamiinide ja kolesterooli transport

• Glükoproteiinide ankurdamine plasmamembraani

NUKLEOTIIDID

• Nukleotiid koosneb lämmastikalusest (N-alustest, pentoosist ja ühest või enamast fosfaatrühmast:• N-aluseks on puriin või pürimidiin• Pentoosiks on D-riboos või 2-desoksü-D-riboos

• N-aluse ja pentoosi kompleks on nukleosiid

O

H

HO

H H

OH

H

HOH2C

D-riboos

CC

CHC

N

N

N

N

CH

H

H

CCH

CHHC

N

N

H OH

2’-desoksü-D-riboosPuriin Pürimidiin

12 3

456 7

98

123 4 5

6

1’

2’3’

4’

5’

O

H

HO

H H

H

H

HOH2C OH

1’

2’3’

4’

5’

N-ALUSED

CC

CC

N

N

N

N

C

H

CC

CC

N

N

Adeniin(A)

Tümiin(T)

12 3

456 7

98

123 4 5

6

NH2

CC

CC

N

N

N

N

C

H

Guaniin(G)

12 3

456 7

98

H2N

O

H

O

O

HC

C

CC

N

N

Tsütosiin(C)

123 4 5

6O

NH2

HH H

H

H

CH3

H

CC

CC

N

N

Uratsüül(U)

123 4 5

6

O

O

H H

H

Puriinid:

Pürimidiinid:

O

H

HO

H H

H

H

HOH2C

CC

CHC

N

N

N

N

CH

NH2

Desoksüadenosiin

NUKLEOSIID JA NUKLEOTIID

O

H

HO

H H

H

H

CC

CHC

N

N

N

N

CH

NH2

Desoksüadenosiin 5’-trifosfaat(dATP)

–O – P – O – P – O – P – OCH2

–O –O –O

O O O

Nukleosiid:N-aluse ja pentoosi kompleks

Nukleotiid:Nukleosiidide mono-, di- või trifosfaatestrid

NUKLEOSIIDIDE JA NUKLEOTIIDIDE BIOFUNKTSIOONID

• Nukleiinhapete ehitusüksused

• Nukleosiid adenosiin on vasodilaator (veresooni laiendav aine)

• Nukleosiidtrifosfaadid on makroergilisuse tõttu metaboolse energia doonoorid ja ülekandjad:• Peamiselt ATP• GTP

• Tsüklilised nukleotiidid vahendavad rakuväliste signaalmolekulide toimet rakuprotsessidele:• Sekundaarsed vahendajad (second messengers), näit.

tsükliline AMP (cAMP) ja tsükliline GMP (cGMP)

• GTP on vajalik signaali ülekande protsessis G-valkude funktsioneerimisel

• Mitmed inimorganismi kesksed koensüümid on nukleotiidid:• NAD, NADP, FAD, koensüüm A

NUKLEIINHAPPED

• Nukleiinhapped on biopolümeerid, milles nukleotiidijäägid on seostunud fosfodiestersidemetega

• Desoksüribonukleiinhapped (DNA):• Koosneb desoksüribonukleotiidijääkidest• N-alusteks on A, G, C, T• DNA molekulis on kaks komplementaarset ahelat

• Ribonukleiinhapped (RNA):• Koosneb ribonukleotiidijääkidest• N-alusteks on A, G, C, U• RNA üheahelaline molekul

DNA PRIMAARSTRUKTUUR

• DNA primaarstruktuur koosneb “pentoos-fosfaatsest” tüvest, millest ulatuvad välja N-alused:• Ühe desoksüribonukleotiidi 3’-

hüdroksüülrühm on seotud fosfodiestersidemega teise deoksüribonukleotiidi 5’-hüdroksüülrühmaga:• DNA primaarstruktuuri

kirjutamist alustatakse 5’-otsast:• 5’→3’ suunas

• Kõikide nukleiinhapete biosüntees toimub 5’→3’ suunas

• DNA on hape:• Fosfodiestergruppidel on

füsioloogilise pH juures negatiivne laeng, mida neutraliseerivad ioonsete interaktsioonide teel valgud, polüamiinid, Mg2+, jne.

O

H

O

H H

H

H

H2C

O

–O – P O

5’

3’

H2C

O

–O – P O

H

O

H H

H

H

O

N-alus 1.

N-alus 2.

5’-ots

3’-ots

DNA SEKUNDAARSTRUTKUUR

• Watson ja Crick kirjeldasid 1953 a. DNA ruumilise struktuuri:• DNA on kaksikspiraalne:

• Tema molekul koosneb kahest lineaarsest komplementaarsest antiparalleelsest keerdunud ahelast (strand):• Biheeliksi ühes ahelas on sidemete

suund 5’→3’, teises 3’→5’• N-alused on heeliksi sisemuses ning

fosfaadid ja desoksüriboosid on heeliksi väljasküljes

• Kahte ahelad hoiavad koos N-aluste vahelised vesiniksidemed:• A-alus seostub vaid T-alusega• G-alus seostub vaid C-alusega

DNA BIHEELIKSI OMADUSED

• Füsioloogilistes tingimustes on DNA biheeliks B-konformatsioonis (B-DNA):• Heeliks pöördub paremale• Heeliksi diameeter on 20 Å• Heeliksi täispöörde kõrgus on 34 Å• Üks täispööre sisaldab 10

alustepaari• Kuna N-glükosiidsidemed ei asetse

täpselt üksteise vastas, moodustuvad biheeliksi keerud õnarusi:• Suur õnarus (major groove)• Väike õnarus (minor groove)

• Esineb ka A- ja Z-konformatsioone:• Z-DNA on vasakulepöörduv

Väike õnarus

Suur õnarus

34 Å

ALUSPAARIDE VAHELISED VESINIKSIDEMED

N

N

N

NN

N

O

N

H

H

H

N

H

H

O

N

N

N

NN

N

O

H

NH

H

O

CH3

Väike õnarus

Suur õnarus

Väike õnarus

Suur õnarus

Adeniin:Tümiin Guaniin:Tsütosiin

DNA FUNKTSIOON

• DNA on geneetilise informatsiooni kandja

• Geneetiline informatsioon kandub põlvkonnast põlvkondasalvestatuna DNA nukleotiidses järjestuses

• Geenide avaldumine realiseerub informatsiooniedastamise teel DNA nukleotiidselt järjestuselt valkudeaminohappelisse järjestusse

• DNA asub inimorganismis rakutuumas

RNA PRIMAARSTRUKTUUR JA PÕHITÜÜBID

• RNA on DNA ühelt ahelalt komplementaarsuse alusel tehtud koopia

• RNA on üheahelaline molekul

• Funktsionaalsuse alusel eristatakse kolme RNA põhitüüpi:

• mRNA (messenger RNA, informatsiooni RNA):• Valgusünteesiks vajaliku geneetilise informatsiooni

ülekanne DNA-lt ribosoomidele:• Inimorganismis sünteesitakse mRNA-d rakutuumas

pre-mRNA molekulidena, kust need protsessitakse ning transporditakse tsütoplasmasse

• tRNA (transfer RNA, transpordi RNA):• Aminohapete transport ribosoomidele ja osavõtt nende

lülitumisest sünteesitavasse polüpeptiidahelasse:• Asub tsütoplasmas

• rRNA (ribosomal RNA, ribosoomi RNA):• Ribosoomide nukleiinhappeline koostisosa, mis osaleb

aminohapete lülitumises sünteesitavasee polüpeptiidahelasse:• Asub ribosoomides

ORGAANILISED BIOMOLEKULID: KOKKUVÕTE

• Lihtbiomolekulid:• Aminohapped, monoosid, lipiidid, nukleotiidid

• Oligomeersed biomolekulid:• Peptiidid, oligosahhariidid

• Biomakromolekulid:• Valgud, polüoosid, nukleiinhapped