Etikettarkiv: Kemi

Socker förklarade med gangsigns – minnesregler för kolhydrater

I naturen är kolhydraterna bland de viktigaste biomolekylerna och utgör majoriteten av biosfärens biomassa. Cellulosa är en viktig strukturell komponent i växters cellväggar och deoxiribos är en beståndsdel i den livsviktiga DNA-molekylen. I molekylärcellbiologi är kolhydraterna de mest versatila informationsbärarna. Igenkänning av celler är ofta resultat av interaktioner med kolhydrater. Som ett exempel bestäms blodgrupper av hur ett antigen på den röda blodcellens yta har modifierats med kolhydrater. Industriellt används syntetiskt modifierade kolhydrater inom bland annat medicin-, mat- och klädindustrin. När det gäller forskning kan syntetiska metoder användas för att studera kolhydrater som är svåra att isolera eller annars inte är tillgängliga.

Kolhydraterna är med andra ord ytterst mångsidiga molekyler och för ett oerfaret öga är det ofta krångligt att åtskilja två socker. De som gått livets hårda skola (på finska: elämäm koulu) har väl vid något tillfälle använt sig av gangsigns för att uttrycka sig. Hör och häpna, dessa kan också användas för att komma ihåg och åtskilja socker. Genom att räkna binärt med fingrarna är det möjligt att lära sig olika sockers strukturer och namn utan större ansträngning.

”Sockerpappa” har inget med kolhydrater att göra, men är liksom kolhydrater ett mångsidigt begrepp med flera betydelser. Observera att aspartam inte är en kolhydrat, utan en peptid.

Men vilka molekyler definieras som kolhydrater? En tidig definition på kolhydrater var föreningar som hade den empiriska formeln Cm(H2O)n.[1,2] Formeln säger i stort sett att kolhydrater är hydrater av kol.[3] Dock finns en stor mängd kolhydrater som bryter denna definition (t.ex. det tidigare nämnda deoxiriboset). Därför talas det oftare om monosackarider och dess derivat, samt oligosackarider.[4]

När man i vardagligt tal pratar om socker så syftar man på disackariden sackaros. Det kemiska begreppet för socker är mycket bredare.

Organiska molekyler består oftasts av kolkedjor med varierande funktionella grupper och socker passar bra in i denna kategori. En vanlig egenskap som en stor mängd organiska molekyler innehar är asymmetri hos kolatomen, mer känt som kiralitet. Kolatomer brukar bilda fyra bindningar till andra atomer och om kolatomen binder till fyra substituenter som alla är olika varandra, så är kolatomen i fråga kiral. Etanolmolekylen – många studerandes favoritmolekyl – innehåller inte en enda kiral atom. Om du försöker byta plats på två substituenter får du samma molekyl som resultat. Byter du däremot plats på två substituenter hos en kiral kolatom, så får du en annan molekyl med andra fysiska och kemiska egenskaper. Ett gott men tragiskt exempel är medicinen talidomid som väntande mödrar under 50-60 -talsskiftet använde mot graviditetsillamående. Medicinen är en molekyl som innehåller ett kiralt center. Den ena formen har inga sidoeffekter och har önskad verkan, medan den andra formen är en teratogen och leder till deformationer och skador på nervsystemet hos fostret.[5]


Dessa två aminosyror är varandras enantiomerer (spegelbilder). Kolet i mitten är kiralt och byter man plats på två substituenter får man den andra molekylen som resultat. Bild från Wikipedia (16-03-2020) https://en.wikipedia.org/wiki/Chirality_(chemistry)#/media/File:Chirality_with_hands.svg (Public Domain)
D- och L-glukos är varandras enantiomerer (spegelbilder).

De flesta socker innehåller flera kirala kolatomer och då antalet ökar blir det snabbt svårt att hålla reda på olika socker. Antalet unika socker beror på hur många kirala kolatomer ett socker innehåller och kan beskrivas med 2n. Detta betyder att aldohexoserna som innehåller 4 kirala kolatomer har 16 unika kombinationer. För att hålla koll på dessa används en Fischer-projektion.

Fischer-projektionen är – liksom namnet antyder – ett sätt att projicera molekyler på ett tvådimensionellt plan. Till skillnad från den vanligtvis använda skelettformeln visar Fischer-projektionen alltid de kirala kolens konfigurationer.[6] Konversionen mellan Fischer-projektion och skelettformel är kanske först inte helt uppenbart. Följande YouTube-video visualiserar bra hur konversionen kan göras (1:20-2:00).

Tidigare nämndes det att aldohexoserna har 16 unika kombinationer, som kan delas upp i 8 olika socker där var och ett socker har en spegelbild. Låt oss ignorera spegelbilderna så behöver vi inte komma ihåg lika mycket. Aldohexoserna presenteras i följande bild. Det finns en minnesramsa för att komma ihåg deras namn och den går på följande vis: ”All Altruists Gladly Make Gum In Gallon Tanks”.[7]

Aldohexosers Fischer-projektioner i nummerordning (binärt och decimalt)

Också strukturerna är enkla att komma ihåg om man tänker sig att sockrenas Fischer-projektioner är representationer av binära tal. Hydroxylgrupper (-OH) som pekar mot höger har värdet 0, medan grupper som pekar mot vänster har värdet 1.[7]

Här kommer gangsigns och dina händer med i bilden. Om du ska tenta allt det ovannämnda så är det tyvärr inte tillåtet att ta med en luntlapp till tenten.[8] Däremot kan övervakaren av tenttillfället inte hindra dig ifrån att ha med dig dina händer. (Som ni kanske förstår skulle det då vara omöjligt att skriva tent.) Detta kan utnyttjas genom att under tenttillfället ”throw:a gangsigns”. I stället för aldehydgruppen (-CHO) som pekar uppåt på pappret, pekar din tumme upp i luften. Dina fingerspetsar visar åt vilket håll hydroxylgrupperna (-OH) pekar. Sen kan du räkna dina fingrar binärt i takt med minnesramsan. Vilken hand som används har ingen skillnad så länge som fingrarna visar åt rätt håll. I följande bilder ser du mina två personliga favoriter. Kan du lista ut vilka socker som händerna visar?

I bilden visar den vänstra handen D-galaktos (0110 eller 6). Gesten kan också vara till nytta under Tuska-festivalen.
Den högra handen visar D-glukos (0010 eller 2). En gammal hederlig ”sii dej”.

Konceptet kan vid behov användas som minnesregel även för kortare sockerkedjor. Då ligger begränsningen endast i hur kreativ man är att hitta på en ny ramsa. Vid behov kan fingrar på andra handen[9] kombineras och i ytterst sällsynta fall även tår. Dock vore detta opraktiskt eftersom man då behöver en apas vighet och dessutom måste ta av sig strumporna och sprida fotsvettlukt i tentsalen. De flesta socker kan räknas på en hand om man tar tummen till hjälp och redan socker som kräver två händer är sällsynta.

Tillägg / Referenser:

  1. Empirisk formel: En formel som berättar förhållandet mellan olika atomer i en kemisk förening.
  2. m och n är positiva heltal. Observera att H2O = vatten, men detta betyder inte nödvändigtvis att molekylen innehåller vatten i dess sanna bemärkelse.
  3. Hydrat: En kemisk förening som innehåller vatten eller dess beståndsdelar.
  4. Monosackarid (eller socker): En organisk molekyl som innehåller en aldehyd eller keton, och flera hydroxylgrupper.
  5. Thalidomide: From Wikipedia, the free encyclopedia, hämtat 16.03.2020, https://en.wikipedia.org/wiki/Thalidomide
  6. Konfiguration: Det vill säga hur de olika substituenterna är arrangerade i förhållande till varandra.
  7. S. Zheng (2015), J. Chem. Educ., 92(2), s. 395—398, DOI: 10.1021/ed500254x
  8. Relevant om du går kursen Biologinen Kemia (KEK205).
  9. …om du råkar äga två händer.

Helt skit artikel, del 2: Serotonin – En historia om diarré, LSD och antidepressanter

I förra delen i skitserien behandlades det eventuella sambandet mellan nationella mängden intagen koffein och förbruket av toalettpapper. Även denna artikel tangerar ämnet, men ur neurokemisk synvinkel. Människan är ett komplext neurobiologiskt system som regleras med flera olika signalämnen, såsom serotonin, dopamin och acetylkolin. De reglerar humör, aptit, sömn, inlärning och minne, samt flera fysiologiska funktioner. Ja, men VARFÖR bry sig? I moderna tider utsätts vi för en ökande mängd olika preparat, som med eller utan avsikt påverkar våra handlingar i vardagliga situationer. Därmed är det viktigt att veta HUR de påverkar oss. Denna artikel har serotonin i focus.

Historien börjar inte direkt med skit, utan med själva tarmen. Ca år 1950 upptäckte italienska forskande att tarmcellerna innehöll ett nytt okänt ämne, serotonin. Ungefär samtidigt hittade två andra forskargrupper, oberoende av varandra, serotonin i trombocyter, dvs blodplättar, och i hjärnan. Det var uppenbart att serotonin hade en viktig biologisk roll.1

Några år tidigare, 1943, hade schweizaren Albert Hofmann upptäckt de psykedeliska effekterna av LSD.2 Många forskade gjorde iakttagelsen att LSD och serotonin hade en mycket liknande struktur, bild 2. Om LSD hade en mycket stark effekt på sinnet redan med små doser, så kanske även serotonin hade en neurologisk funktion? Hypotesen var alltså att patienter med tarmsjukdomar skulle ha höjda eller sänkta serotoninhalter, och därmed mentala problem. Mycket riktigt bevisade man 1954 att patenter med diarré pga en viss typ av tarmcancer hade höjda halter av serotonin, men ingen koppling till mentala sjukdomar kunde finnas. På 1950- och 1960-talet behandlades dessa cancerpatenter med fenklonin, ett ämne som inhiberar biosyntesen av serotonin. Behandlingen lättade på diarrésymptomen men patienterna fick symptom som liknade depression. Detta var början för hypotesen att depression orsakas av serotoninbrist i hjärnan. Med andra ord var tanken att depression kunde botas genom att höja halten av serotonin i hjärnan.

hoffman02450[1]

Bild 1: Albert Hofmann med en kemisk modell av LSD. Han dog år 2008 vid en mogen ålder av 102 år.

serotoninBild 2: Jämförelse av serotonin, till vänster, och LSD, till höger. Gemensamma strukturen är märkt med rött.

Men hur borde man gå till väga för att öka halten serotonin? Lösningen till dilemmat kräver kunskap om serotoninets roll i centrala nervsystemet, bild 3. Nervceller är inte direkt kopplade till varandra, utan i stället förmedlar de signaler till varandra över små klyftor, s.k. synapser. Olika signaler förmedlas i synapserna med flera olika signalmolekyler, till vilka även serotonin hör. Nervcellerna lagrar serotonin i s.k. vesiklar, som är speciella membraner (”bubblor”). Vesiklarna transporteras till ytan när en nervcell skall förmedla en signal, vilket resulterar i en utlösning av serotonin. Serotonin binder sig till receptorer i mottagande cellen. Det finns sju kända receptortyper för serotonin, och dessa kan ha flera underklasser. Ju mer serotonin som binder sig till receptorerna, desto starkare är signalen som mottagande cellen förmedlar. Till slut lossnar serotonin från receptorerna och upptas tillbaka till ursprungliga nervcellen med ett transportprotein, som fungerar som en pump. Upptaget serotonin bryts ner i nervcellen. Upptagningsmekanismen ser till att signalen inte förmedlas en längre tid än vad är nödvändigt.

synapsBild 3: Schematisk representation av en synaps.

Med kännedom av synapsernas funktion blev ledande tanken bland forskare att låga serotoninhalter kunde kompenseras med att hålla serotonin längre mellan nervcellerna. Forskningens focus blev därmed att störa serotoninpumpens funktion med något lämpligt ämne. Det var önskvärt att utveckla läkemedel som inte påverkade andra signalämnespumpar, utan endast serotoninpumpen, s.k. selektiva serotoninåterupptagshämmare (selective serotonin reuptake inhibitor, SSRI). En svensk forskargrupp var år 1969 de första att utveckla en SSRI och bevisade dess effekt i behandling av depression.1 Några år senare utvecklades fluoxetin, bättre känd under varunamnet Prozac, en liknande SSRI som godkändes för bruk år 1987 av FDA. Bruket av antidepressanter, till vilka SSRI hör, har ständigt ökat i hela världen. År 2000 var konsumtionen i Finland 36 dagliga doser per 1000 invånare (DDD), medan år 2011 hade siffran fördubblats till 70 DDD. Medeltalet för de undersökta länderna var 31 DDD år 2000 och 56 DDD år 2011.3

På senare år har det blivit uppenbart att depression inte orsakas av serotoninbrist. Om antidepressanter fungerar, så är det inte för att de ökar serotoninhalten. Detta har lett till att bruket av antidepressanter har ifrågasatts.4 Situationen kan liknas med att Burana botar huvudvärk, men inte på grund av att kroppen har brist på Burana. Är det etiskt rätt att behandla patienter med läkemedel vars verkningsmekanism är okänd?

Situationen blev avsevärt mer komplex år 2006 då det upptäcktes att det finns två olika pumpar, serotonintransportprotein (SERT) och cellmembranmonoamintransportprotein (PMAT). SERT har länge varit känd och SSRI utvecklades för att störa denna, medan PMAT var en ny upptäckt. Serotonin binder sig ungefär 100 gånger bättre till SERT än till PMAT. Detta kan ge illusionen om att SERT ansvarar för största delen av upptagningen av serotonin. Faktum är att PMAT bidrar till upptaget med en avsevärd del, då den transporterar mycket fortare än SERT. Många SSRI blockerar även PMAT, men detta kräver mycket högre doser än vad som normalt används för depressionsbehandling.5

Vad lär vi oss om detta? Hjärnan är ett mycket komplext organ, som vi än idag inte fullt förstår. Upptäckten av PMAT-pumpen är ett bra exempel hur vår förståelse om en viss funktion, i detta fall upptagningen av serotonin, kan totalt förändras. En upptäckt kan ifrågasätta årtionden av medicinsk praktik, samt ställa läkemedelsindustrin i ett tvetydigt ljus. Kan man marknadsföra en produkt om den ”fungerar” men man vet inte hur?

 

[1] Sjoerdsma, A., Palfreyman M.G. Annals of the New York Academy of Sciences, 600 (1990) 1

[2] Bad trip, but thousands followed, The Saturday Morning Herald, 2.5.2008, <http://www.smh.com.au/news/obituaries/bad-trip-but-thousands-followed/2008/05/01/1209235053330.html>, hämtad 20.7.2014

[3] HEALTH AT A GLANCE 2013: OECD INDICATORS, 21.11.2013, s. 102-103, <http://www.oecd.org/els/health-systems/Health-at-a-Glance-2013.pdf>, hämtad 20.7.2014

[4] Lacasse, J.R., Leo J. PLoS Med, 2 (2005) 392

[5] McDuffie, J.E., Motley, E.D., Limbird, L.E., Maleque, M.A. J. Cardiovasc. Pharmacol. 35 (2000) 398–402

 

 

XNA – Syntetiskt liv

Människan, skapelsens krona, har alltid strävat efter att bemästra allt liv. I sin oändliga fåfänga har hon inte nöjt sig med detta, utan hon vill upphöja sig till Gud genom att skapa nytt liv. Vi ser detta i modern litteratur, såsom Frankenstein och hennes monster. Men idén är inte ny, också gamla myter bevittnar om lusten att skapa och kontrollera liv, såsom berättelsen om golem ur toran. Rabbinen väcker en lerstaty till liv genom att skriva ordet אמת, emet eller sanning, på dess panna. Dagens vetenskapsman har insett att nyckeln till att behärska liv är att förstå DNA. Men vad är DNA och hur fungerar den?

DNA står för deoxiribonukleinsyra, och består av tre olika komponenter: fyra olika baser, ett socker och en fosfatgrupp. Baserna är bundna till sockermolekylerna, som är bundna sinsemellan ihop med fosforbryggor. Man kan tänka sig DNA som en dragkedja: baserna, vilka motsvaras av häktorna, är fästa till sockret och fosfatbryggan, som utgör tyget. Löparen motsvaras av enzymet DNA-polymeras, som öppnar och kopierar dubbelsträngen, bild 1.

bild1

Bild 1: DNA-molekylens schematiska uppbyggnad. a) Polymeras, b) fosfatbrygga, c) ribos (socker), d) baspar, e) löpare, f) häktor.

Roten till livets programkod är de fyra olika baserna, vilka bildar två par: adenin (A) och tymin (T), samt cytosin (C) och guanin (G). Dessa par fungerar som ett kodsystem likt noll och ett för en dator. Basparningen kan jämföras med två magneter som dras till varandra. Det är inte magnetism, utan ett fenomen som benämns för vätebindning, vilken ser till att baserna paras rätt ihop, bild 2.

 bild2

Bild 2: Vätebindning mellan adenin och tymin. Baserna attraheras till sitt rätta par med vätebindningar, likt hur två magneter attraherar varandra.

Låt oss börja med fosfatbryggan. Vad är denna bra för? Man skulle anta att sockergrupperna vore direkt sammanbundna. Fosfaternas grundläggande egenskap är att de är negativt laddade, vilket hindrar att DNA rymmer ut genom cellmembranet, men också att DNA inte trasslar ihop sig. En vacker dag har hörlurarnas sladd kanske en liknande anti-trasselfunktion.

Arsenik är till sitt kemiska beteende mycket lik fosfor och kan bilda liknande strukturer som finnes i DNA. År 2011 hörde vi om hur NASAs forskargrupp, Wolfe-Simon et al, presenterade sin upptäckt om en speciell bakterie i Kaliforniens Mono Lake. Denna lilla basilisk byggde upp sin DNA av arsenik1. Fyndet väckte stor uppståndelse, inte bara för att det var det första dokumenterade fallet, utan också för att ett praktiskt problem av mammutstorlek kvarstod. Fosfatbryggan i vanlig DNA har en halveringstid på ca 30 miljoner år i vattenlösning, alltså i en cell. Om celler vore eviga, så skulle all dess DNA sönderfalla före studiestödet indexbinds. Arsenikbryggan då? Under en sekund. Faktum är att sönderfallet är så snabbt att det är svårt att mäta det. Biologin, såsom vi känner den, kan omöjligtvis bestå av arsenikbryggor. Senare blev NASAs resultat bevisat felaktigt.

Av allt att bedöma är det svårt att skapa alternativ till fosfatbryggan. Men baserna har visat sig erbjuda vida möjligheter, likt efterfester på Klubben. Romesberg et al syntetiserade onaturlig DNA, även kallad XNA eller xenoDNA. Denna hade ett främmande baspar, NaM-5SICS, vilket motsvarar paret A-T2. Det intressanta är att NaM-5SICS, till skillnad från alla naturliga baspar, inte bildar vätebindningar, vilket tidigare var något oerhört, likt att självaste Akademen inte skulle öva vid Vanha. Bild 3 illustrerar hur NaM-5SICS har en mycket annorlunda form än dess motsvarighet A-T. Ifall formen vore liknande, skulle baserna paras fel ihop av DNA-polymeras. Romesberg rapporterar en noggrannhet på 99.66-99.99% för varje kopiering av NaM-5SICS, vilket närmar sig naturens sämsta fall. Marlière et al rapporterar att de utvecklat bakterier fullt beroende av syntetiska baser, vars tymin var utbytt till 90%3.

bild3

Bild 3: NaM-5SICS, nedan, en analog till A-T, ovan. NaM-5SICS bildar inte vätebindningar, men paras rätt ihop av polymeras tack vare sin mycket ovanliga form.

Sockret, den tredje komponenten i DNA, visar sig också vara utbytbar rapporterar Holliger et al4. Problemet är att polymerasenzymet inte klarar av de främmande delarna, men genom otaliga mutationer har de skapat två enzym: ett som konverterar DNA till XNA och det andra som gör det motsatta.

Cui bono, till vilken nytta? Varför hålla på och fingra med DNA? Praktiska tillämpningar är detektionen av virus, t.ex. HIV, då XNA binder sig selektivt till viruset. Selektiviteten kan också utnyttjas då patienten lider av ett genfel. XNA binder sig till genen ifråga, vilket hindrar uttrycket av denna. Men när det kommer till kritan är det teoretiska det mest intressanta. Hur mycket kan man ändra på livets byggklossar? Finns det några få enkla krav för att biologi skall uppstå ur kemi? Richard Dawkins, professor emeritus i biologi och mannen bakom bestsellern Illusionen om Gud, anser att det finns två krav: ett kodsystem, t.ex. DNA, och ett verkställande system, t.ex. protein. Hans mest intressanta tanke är kanske att kodsystemet inte behöver vara endimensionellt, såsom DNA. Han föreslår en tvådimensionell matris, likt ett schackbräde där de olika pjäserna står för olika information5. Det slutliga målet med all denna forskning är något mera ambitiöst. Varför nöja sig med att manipulera liv när man kan skapa helt nytt liv? DNA, livets kodsystem, är dagens Frankenstein-monster eller golem, instrumentet i människans strävan efter אמת. Sanningen om människan.

Jere Mannisto

[1] Wolfe-Simon, F. et al Science 332 (2011) 1149.

[2] Malyshev , D.A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109 (2012) 12005–12010.

[3] Marlière, P. et al Angew. Chem. Int. Edn 50 (2011) 7109–7114.

[4] Pinheiro, V. B., et al. Science 336 (2012) 341–344.

[5] SOMETHING FROM NOTHING ? [OFFICIAL] Richard Dawkins & Lawrence Krauss [HD] 02-04-12, 2012, http://www.youtube.com/watch?v=YUe0_4rdj0U, 26.4.2012