Cell culture, part 2/3. Physics p. 22+52, Math challenge 2467-2473

The cell, Schiff's base and protein synthesis. English version.

When aldehydes and ketones have OH-groups attached, it's sugar that's being talked about. The most common simple sugars are glucose and fructose with 5 hydroxyl groups each in the molecular structure. Both monosaccharides are actually designated as C₆H₁₂O₆ and are hexoses, with 6 pieces of carbon. Both occur in both ring structure and as linear. Fructose is not reductive under normal circumstances (that it is an electron donor), because it has a keto group and not an aldehyde group, which can reduce oxygen. However, the chemistry of fructose changes in a basic solution and one of the hydrogens changes its location, so that an aldehyde group is formed as a result. Neither the fructose nor the glucose molecule have a methyl group, -CH₃. Methylation processes (adding -CH₃) on proteins are often done in each cell, which is a prerequisite for the protein to react to substances in a desirable way, and behave correctly. The methyl group is attached to e.g. a nucleotide (the building block of chain molecules), within e.g. the DNA kind.

RNA is another nucleic acid. The structure of RNA is that it’s single-stranded and is usually found in the cytosol (fluid inside the cell membrane) and in the ribosomes (an organelle that is of enormous importance in protein formation). They are made up of many small nucleotides located in a chain. Each such unit in RNA contains a nitrogenous base (for example, adenine), 1-3 phosphate groups and a ribose sugar molecule, C₅H₁₀O₅. If three phosphate groups in a row bind to the ribose, to the side where the nitrogen base has not already bound, you have obtained an adenosine triphosphate (ATP, the cell's energy currency). Before phosphate arrives, you have a nucleoside, and afterwards with phosphate, this becomes a nucleotide. Two out of three phosphate groups detach when the nucleotide is added to a growing polynucleotide chain that will make up the helix of either an RNA or a DNA macromolecule. There are no alkyl or aryl groups in RNA, but these can instead attach to e.g. a Schiff-base compound denoted R₂C=NR', where R' ≠ H.

This compound in question is stuck together with either an alkyl group or an aryl group thanks to the nitrogen atom. For example, an alkyl group can be methyl group, -CH₃, but there are many different carbon and hydrogen chains of that kind that can attach to other molecules/atoms. The methyl group can form a compound with mercury thanks to a simple covalent bond, so that you get methylmercury, CH₃Hg⁺. This is a highly toxic environmental toxin that can cause, for example, minamata disease, which is a neurological disease that causes ataxia/coordination disorders, numb limbs and coma. It’s electrical activity in the nerve cells via the ion channels that quickly changes for the worse. An aryl group, on the other hand, is a kind of aromatic group, and the simplest variety is the hydrophobic phenyl group, -C₆H₅, which is cyclic and bound to another molecule ("R"). It does not interact with water because the H₂O molecules prefer to enter into hydrogen bonds with each other, where a hydrogen is attracted to one of the 2 free electron pairs of the electronegative oxygen (of a neighbor).

Water is also part of dipole-dipole bonds, where plus and minus endings attract each other. Hydrocarbons of various kinds, on the other hand, are not polar, and attraction does not occur to polar water. Hydrocarbons are lipophilic and dissolve most easily in fat, and this happens thanks to van der Waals bonds, which are temporary dipole-dipole bonds. What, then, is aromaticity? Here we talk about a cyclic molecule having a conjugated system where single and double bonds are replacing each other (most often). This provides a relief energetically and stability in the molecule. Phenol, C₆H₅OH is also aromatic, and phenyl and phenol should not be mixed together. Phenol consists of a circular phenyl group that has bound to a hydroxyl group, and both molecules are toxic. Phenol causes caustic damage to the skin (despite the pH of only 6.6), is absorbed into the body and paralyzes the brain. This is because there is a denervation, in which the axon (protrusion from the nerve cell) and myelin sheath (its covering) are separated, and axonal edema (pathological fluid accumulation) occurs.

This is how the toxic phenol is made: (Toluene, aromatic hydrocarbon) C₆H₅CH₃ + 2 O₂ ---> (Phenol) C₆H₅OH + CO₂ + H₂O. Toluene has a methyl group that is added to the benzene ring C₆H₆. This is produced from coal tar and is used, for example, in motor fuel and thinner (which makes oil paints thinner, or for cleaning purposes of the brush). Various phenols can also be produced directly from coal tar. But now back to Schiff's bases; These occur in the body when something goes wrong with glucose concentration, such as when a person has diabetes and does not produce enough of their own insulin. Then the blood sugar is not regulated/decreased as it should and cell permeability is not sufficient. In untreated/insufficiently treated diabetes, you get glycated proteins as a result (a protein that suddenly carries carbohydrate residues). Such proteins inflame the body and Schiff's base arises almost simultaneously as, for example, the glycated protein HbA1c. A way for the base to arise; Step 1. (Protein) R₁-NH₂+ (formaldehyde) CH₂O.

In industry, proteins are allowed to act with the toxic substance formaldehyde. This is also often used when manufacturing e.g. plastics. The manufacture of Schiff's base on artificial roads continues like this; Step 2. ---> (methylol) R₁-NH(CH₂)OH. Step 3. ---> (- “H₂O”, now it is Schiff's base) R₁-CH₂N. Schiff's base may have an important medical use eventually. So far, this is important in e.g. the preparation of dyes, But these are also expected to become a significant component of malaria vaccines within a few years. Protein synthesis is associated with methylation (methyl groups are applied to nucleotides (base, sugar, phosphate)) and it is related to Schiff's bases, as proteins were used during its manufacture. During protein synthesis, the DNA helix splits into two strands and RNA (macromolecule) ends up next to the coding strand, it copies this. Codons (three bases in a row on the mRNA strand) and anticodons (part of tRNA) cause the chain to get longer and longer, because each codon codes for a new amino acid.

You get different polypeptide chains that have to be folded into proteins, as a result. Epigenetic regulation is the study of gene regulation in the body. DNA is made up of many different genes that vary greatly in length sequence, and in addition, DNA was a regulation regarding protein structure. An example of epigenetic regulation is that in a muscle cell, for example, eye genes do not happen to be switched on, but only the right kind of genes are expressed there. Epigenetic regulation also takes place, of course, among fungi and therefore also in e.g. the yeast cell. Either the fungal genes express growing threads, hyphae, or for it to be a yeast cell, a fungus that has lost the ability / never been able to grow as multicellular hyphae. Thus, alcoholic fermentation usually takes place thanks to the yeast Saccharomyces cerevisiae, according to the formula; (glucose) C₆H₁₂O₆ ---> (ethanol) 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ and when that reaction happens, energy is released (which was stored in molecular bonds) and the yeast serves 2 ATP molecules per glucose (aerobic respiration can give however 38 ATP per glucose).

The cell, Schiff's base and protein synthesis. Swedish version.

När aldehyder och ketoner har OH-grupper så är det socker som man pratar om. De vanligaste enkla sockerarter är glukos och fruktos med 5 hydroxylgrupper vardera i molekylstrukturen. Båda monosackariderna betecknas faktiskt som C₆H₁₂O₆ och är hexoser, med 6 stycken kol. Båda förekommer i både ringstruktur och som linjära. Fruktos är inte reducerande under normala omständigheter (att den är elektrondonator), för att denna har en ketogrupp och inte en aldehydgrupp, som kan reducera syret. Fruktosens kemi ändras dock i en basisk lösning och ett av vätena ändrar sin placering, så att en aldehydgrupp bildas som resultat. Varken fruktos- eller glukos-molekylen har någon metylgrupp, -CH₃. Metyleringsprocesser (att addera -CH₃) på proteiner görs ofta i varje cell, vilket är en förutsättning för att proteinet ska reagera på substanser på ett önskvärt sätt, och bete sig rätt. Metylgruppen fästs till t.ex. en nukleotid (kedjemolekylernas byggsten), inom t.ex. DNA-sorten.

RNA är en annan nukleinsyra. RNA:s uppbyggnad är att den är en enkelsträngad och finns oftast i cytosolen (fluidum innanför cellmembranet) och i ribosomerna (en organell som har enorm betydelse gällande proteinbildning). De är uppbyggda av många små nukleotider som ligger i en kedja. Varje sådan enhet i RNA innehåller en kvävebas (t.ex. Adenin), 1-3 fosfatgrupper och en ribos sockermolekyl, C₅H₁₀O₅. Om tre fosfatgrupper i rad binder till riboset, till den sidan där inte kvävebasen redan bundit, så har man fått en adenosintrifosfat (ATP, cellens anergivaluta). Innan fosfaten kommer har man en nukleosid, och i efterhand med fosfat, blir denna en nukleotid. Två av tre fosfatgrupper lossnar när nukleotiden adderas till en växande polynukleotidkedja som kommer att utgöra spiralen i antingen en RNA- eller en DNA-makromolekyl. Det ingår inga alkyl- eller aryl-grupper i RNA, men dessa kan istället fästa till t.ex. en Schiff-bas förening som betecknas R₂C=NR’, där R' ≠ H.

Denna förening i fråga sitter ihop med antingen en alkyl-grupp eller en aryl-grupp tack vare kväve-atomen. En alkyl-grupp kan t.ex. vara metylgrupp, -CH₃, men det finns många olika kol och väte kedjor av det slaget som kan fästa på andra molekyler/atomer. Metylgruppen kan bilda förening med kvicksilver tack vare en enkel kovalent bindning, så att man får metylkvicksilver, CH₃Hg⁺. Detta är ett mycket toxiskt miljögift som kan ge t.ex. minamatasjukan, som är en neurologisk sjukdom som ger ataxi/koordinationsrubbningar, bortdomnande lemmar och koma. Det är elektrisk aktivitet i nervcellerna via jonkanalerna som snabbt förändras till det sämre. En aryl-grupp är däremot  en slags aromatisk grupp, och den enklaste sorten är den hydrofoba fenylgruppen, -C₆H₅, som är cyklisk och bunden till en annan molekyl (”R”). Den interagerar inte med vatten för att H₂O-molekylerna vill helst ingå i vätebindningar med varandra, där ett väte attraheras till ett av dem 2 fria elekronparen hos det elektronegativa syret, hos en granne.

Vatten ingår även i dipol-dipol-bindningar, där plus och minus ändelser attraherar varandra. Kolväten av olika slag är däremot inte polära, och dragningskraft uppstår ej till polärt vatten. Kolväten är lipofila och löses lättast i fett, och det sker tack vare van der Waals bindningar, som är tillfälliga dipol-dipol-bindningar. Vad är då aromaticitet? Här talar man om att en cyklisk molekyl har ett konjugerat system där enkel- och dubbel-bindningar avlöser varandra (oftast).  Detta ger en avlastning energimässigt och stabilitet i molekylen. Fenol, C₆H₅OH är också aromatisk, och fenyl och fenol ska ej blandas ihop. Fenol består av en cirkulär fenylgrupp som har bundit sig till en hydroxylgrupp, och båda molekyler är giftiga. Fenol ger kaustiska skador på huden (trots pH på bara 6,6), absorberas in i kroppen och paralyserar hjärnan. Det är för att det sker en denervering, där axon (utskott från nervcell) och myelinhölje (dess täckande mantel) separeras, och det uppstår axonalt ödem (sjuklig vätskeansamling).

Såhär tillverkas den giftiga fenol: (Toluen, aromatiskt kolväte) C₆H₅CH₃ + 2 O₂ ---> (Fenol) C₆H₅OH + CO₂ + H₂O. Toluen har en metylgrupp som sitter adderad till bensenringen C₆H₆. Denna framställs ur stenkolstjära och används i t.ex. motorbränsle och thinner (som gör oljefärger tunnare, eller i rengöringssyfte av pensel). Olika slags fenoler kan också framställas direkt ur stenkolstjära. Men nu tillbaka till Schiffs baser; dessa uppstår i kroppen när något gått fel kring glukoskoncentrationen, som när en person har diabetes och inte tillverkar tillräckligt med eget insulin, blodsockret regleras inte/minskar som den ska och cellpermeabiliteten är inte tillräcklig. Vid obehandlad/inte tillräckligt behandlad diabetes får man glykerade proteiner som resultat (ett protein som plötsligt bär på kolhydratrester). Sådana proteiner inflammerar kroppen och Schiffs bas uppstår nästan samtidigt som t.ex. det glykerade proteinet HbA1c. Ett sätt för basen att uppstå; Steg 1. (Protein) R₁-NH₂ + (formaldehyd) CH₂O.

Inom industrin låter man proteiner att verka med det giftiga ämnet formaldehyd. Denna används också ofta när man tillverkar t.ex. plaster. Tillverkningen av Schiffs bas på konstgjorda vägar fortsätter såhär; Steg 2. ---> (Methylol) R₁-NH(CH₂)OH. Steg 3. ---> (- ”H₂O”, nu är det Schiffs bas) R₁-CH₂N. Schiffs bas kan ha ett viktigt medicinskt bruk så småningom. Än så länge är denna viktig vid t.ex. beredning av färgämnen, men dessa beräknas även att bli en betydande komponent inom malaria vaccin inom några år. Proteinsyntesen hör ihop med metylering (metylgrupper sätts på på nukleotider (bas, socker, fosfat)) och den hör ihop med Schiffs baser, då proteiner användes under tillverkningen utav denna. Under proteinsyntes så delar DNA-spiralen upp sig i två strängar och RNA (makromolekyl) hamnar intill den sträng som är kodande, den kopierar denna. Kodoner (tre baser på rad på mRNA strängen) och antikodoner (del av tRNA) får kedjan att bli längre och längre, för att varje kodon kodar för en ny aminosyra.

Man får olika polypeptidkejdor som ska veckas till protein, som resultat. Epigenetisk reglering är studiet av genregleringen i kroppen. DNA är uppbyggt utav många olika gener som varierar kraftigt i längdsekvens, och dessutom var DNA en föreskrift angående proteinuppbyggnaden. Ett exempel på epigenetisk reglering är det att i en muskelcell så råkar inte t.ex. ögongener vara påslagna, utan enbart rätt slags gener uttrycks där. Epigenetisk reglering sker även förstås bland svampar och därför även i t.ex. jästcellen. Antingen ger svampgenerna uttryck för växande trådar, hyfer, eller för att det ska vara en jästcell, en svamp som förlorat förmågan/aldrig kunnat växa som flercelliga hyfer. Alkoholjäsning sker alltså oftast tack vare jästen Saccharomyces cerevisiae, enligt formeln; (glukos) C₆H₁₂O₆ ---> (Etanol) 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ och när den reaktionen händer så frigörs energi (som var lagrad i molekylbindningar) och jästen tjänar 2 ATP molekyler per glukos (aerob andning kan ge dock 38 st ATP per glukos).