1.Bevezetés a biológiába

1.1 a biológia tudománya Biológia= biosz (görög szó) + logosz (görög szó) élet tan (tudomány) Az élet tana (tudománya) Az élőlényekkel foglalkozó természettudomány

Vizsgálati eszközei: Mikroszkópok: - fénymikroszkóp - elektronmikroszkóp: elektronsugár világítja meg és képezi le a tárgyat Vizsgálati módszerei: Képalkotó eljárások: röntgenvizsgálat komputertomográfia (CT) ultrahangtechnika EKG vizsgálat EEG vizsgálat

Fénymikroszkóp

Elektronmikroszkóp

Kromatográf: papírkromatográf

Röntgenkészülék

Komputertomográf (CT)

Agyvelő CT-felvétel

Ultrahangvizsgálat

EKG vizsgálat

EKG görbék

EEG vizsgálat

EEG hullámok

Az élőlények rendszerezés Szükségessége: A több millió élőlényfaj egyértelmű azonosítása miatt A rendszerezés lényege, alapelve: Az élőlényeket bizonyos szempont szerint különböző rendszertani egységekbe soroljuk

A rendszerezés szempontja: Önkényesen kiragadott, jól megfigyelhető tulajdonság Pl. Linné a virágos növényeket a porzók száma szerint csoportosította Linné rendszere: mesterséges rendszer A tulajdonságok összessége Természetes rendszer Pl. a fejlődéstörténeti rendszer

Fejlődéstörténeti rendszer Jellemzői: Napjaink rendszere Természetes rendszer A rendszerezés a származási, rokonsági kapcsolatokon alapul, tükrözi az élővilág fejlődéstörténetét ( a törzsfejlődést, illetve a biológiai evolúciót)

Molekuláris törzsfa

Rendszertani egységek (rendszertani kategóriák) A rendszerezés különböző szintű csoportjai A magasabb rendszertani egység magába foglalja az alatta levő, egyre kisebb rendszertani egységeket

Rendszertani egységek (kategóriák): Faj (Nemzetség Család Rend Osztály Törzs Ország Világ) Pl. barna medve faj < medve nemzetség < medvefélék családja < ragadozók rendje < emlősök osztálya < gerincesek törzse< állatok országa < többsejtű eukarióták világa)

Faj fogalma: rendszertani alapegység ( Linné óta) azoknak az élőlényeknek a csoportja, amelyek közös származásúak külső és belső felépítésükben csaknem megegyeznek a természetben szaporodási közösségben élnek és magukhoz hasonló termékeny utódok létrehozására képesek

Tudományos fajnév (Linné vezette be): Latin név Két része van: nemzetségre utaló rész + fajra utaló rész pl. Passer domesticus (házi veréb) Ursus arctos (barna medve)

Feltevés (hipotézis): Egy szerkezet, vagy egy folyamat feltételezett magyarázata (feltételezett magyarázat= nem bizonyított magyarázat) Pl. a DNS 3 láncú szerkezetének a hipotézise Elmélet (teória): Tudományosan megalapozott pl. kísérletekkel igazolt magyarázata egy szerkezetnek, vagy egy folyamatnak Pl. a DNS 2 láncú szerkezetének teóriája

Biológiai kísérlet: Életjelenségeket, biokémiai folyamatokat –meghatározott körülmények között idéznek elő –lefolyásuk pontosan követhető Alapfeltétele: –mérhetőség –a kísérlet tényezőit külön- külön tudják változtatni –ellenőrizhetőség (kontrolálhatóság ) Előnye: –tetszés szerint megismételhető Példa a biológiai kísérletre: A nyálamiláz (enzim) optimális működésének a vizsgálata –Egy-egy környezeti feltételt vizsgálunk (a környezeti feltételek a kísérlet változói) Környezeti feltételek: a közeg hőmérséklete, illetve a kémhatása

Modellalkotás: Lényege: –a valóság (a jelenségek, képződmények) leegyszerűsítése –olyan eljárás, amely a bonyolult, nehezen tanulmányozható jelenségeket, képződményeket, leegyszerűsíti A modell a jelenségek, képződmények bizonyos elemét (elemeit) tartalmazza Pl. a Donders- féle tüdőmodell (élettani modell) –Az emlőstüdő légcsere- mechanizmusát vizsgálhatjuk vele az ideális populáció (populációgenetikai modell) –A természetes populációk vizsgálatára szolgál

Donders- féle tüdőmodell

1.2. az élet jellemzői 1. Szerveződési szintek: 2. Életjelenségek

1. Szerveződési szintek: Fogalma: az élőlények felépítési egységei Minden magasabb szint magába foglalja az összes alatta levő szintet, ez a hiearchikus szerveződés

Fajtái: Sejt alatti szerveződési szintek Sejtszint Egyed alatti szerveződési szintek Egyed szintje Egyed feletti szerveződési szintek

Sejt alatti szerveződési szintek: –A biogén elemek, a biogén ionok, biogén molekulák és a sejtszervecskék szerveződési szintjei –Nem tartoznak az élőlények (az élő anyag) szerveződési szintjei közé (mert az élőlények legkisebb alaki és működési egysége a sejt)

Sejtszint: –A sejt fogalma: az élő anyag legkisebb már önálló életre is képes alaki és működési egysége (az élő anyag a sejt szerveződésénél alacsonyabb szinten nem létezik!!!) –Számos élőlény napjainkban is az egysejtűség szerveződési szintjén van pl. a prokarióták (baktériumok, kékbaktériumok) az eukarióta egysejtűek (csillósok, amőbák)

Egyed alatti szerveződési szintek: –A többsejtű élőlényekre jellemzők –Fajtái: a sejt, a szövet, a szerv, a szervrendszer, a szervezet Szövet: azonos származású, hasonló alakú, felépítésű és működésű sejtek együttese Fajtái: növényi szövetek, állati szövetek Szerv: többfajta szövet építi fel, meghatározott a működése Fajtái: növényi szervek, állati szervek

Szervrendszer: azonos működésű szervek együttese Fajtái: állati szervrendszerek, növényi szervrendszerek Szervezet: a növényeknél növényi szervrendszerek, az állatoknál a szervrendszerek képezik minden szervezet egy- egy egyedet alkot

Egyed szintje: –Maga az élőlény (az élőlény lehet egysejtű, ekkor csak sejtszint jellemző rá, ha többsejtű, akkor vannak egyed alatti szerve- ződési szintjei)

Egyed feletti szerveződési szintek: –Több egyed alkotja –Fajtái: populáció, társulás, (biom) bioszféra Populáció: egy fajnak azok az egyedei alkotják, amelyek adott helyen, adott időben együtt élnek pl. Zalaegerszegen együtt élő fekete rigók Társulás: egy élőhelyen együtt élő populációk összessége pl. gyertyános- tölgyes

(Biom: különböző társulások egész kontinensre, vagy óceánra kiterjedő együttese pl. trópusi esőerdő) Bioszféra: a legmagasabb egyed feletti szerveződési szint, a Föld teljes élővilága

Az élőlények működő rendszerek, mert életjelenségeket végeznek. Az életjelenségek fajtái: –Önfenntartó (vagy vegetatív) életjelenségek: anyagcsere, mozgás –Önreprodukáló életjelenségek: növekedés, egyedfejlődés, szaporodás, öröklődés –Önszabályozó életjelenségek: hormonális szabályozás, idegi szabályozás

Anyagcsere: –Az élőlények nyílt anyagi rendszerek, anyag- és energiacserét folytatnak a környezetükkel –Részfolyamatai: anyag- és energia felvétel a környezetből, anyag- és energia átalakítás a szervezetben, (intermedier anyagcsere), anyag- és energia leadás a környezetbe –A szervezet szintjén az anyagcserét megvalósító életjelenségek: a táplálkozás, a légzés, az anyagszállítás, és a kiválasztás

Elhatárolódás: - az élőlények pl. az állatok a kültakarójukkal határolódnak el a környezetüktől - a sejteket a sejthártya (plazmamembrán) ha- tárolja el, a baktérium, a gomba és a növényi sejt még sejtfallal is rendelkezik - a kültakaró és a sejthártya elválaszt, de össze is kapcsol

Homeosztázis (belső egység): Az élőlény belső környezetének szabályozott állandósága. (Az állatok belső környezetét a testfolyadékuk képezi, pl. az ember legfontosabb testfolyadéka a vére)

Ingerlékenység: Az élőlény érzékeli a környezetének változásait, hatásait (az ingereket) és azokra reagál, (válaszol, alkalmazkodik) pl. mozgással. Mozgás : Aktív (saját energiával történő) hely-, vagy helyzetváltoztatás. Alkalmazkodás (adaptáció): Az élőlények megváltozásának folyamata, melynek során felépítési és működési sajátosságaival hozza illeszkednek a környezetükhöz

Növekedés: –Az élőlények mennyiségi változása –Testméret- és testtömeg gyarapodás alapja: a sejtosztódás és a sejtmegnyúlás a felépítő folyamatok túlsúlya a lebontó folyamatokkal szemben Szaporodás: Az utód létrehozása, amely biztosítja az élet (faj) fennmaradását.

Öröklődés szaporodáskor a szülői örökítő anyag átkerülése az utódba, ezért az utód a szülőhöz hasonló tulajdonságú lesz Öröklődő változékonyság az örökítőanyag néha megváltozik (mutáció), ezért módosul az utód tulajdonsága a szülőhöz képest, így változatos élővilág alakul ki

Evolúció(képesség): Az öröklődő változékonyság miatt az élőlények sokfélék, a (genetikai) sokféleség lehetővé teszi az aktuális környezeti feltételekhez legjobban alkalmazkodó változatok elszaporodását Halandóság: Az élőlény utolsó életjelensége az élete során (halál fajtái az embernél: klinikai-, biológiai- és a sejthalál)

Körfolyamatok az élő rendszerekben: –Sejtciklus –Szívciklus –Nemi ciklus –Aszpektus értelmezése

1.3. Fizikai, kémiai alapismeretek Diffúzió Ozmózis

Diffúzió: Vizes oldatban a részecskék ( víz molekulák és az oldott anyagok) a számukra nagyobb sűrűségű hely felől a kisebb sűrűségű hely felé mozognak, idővel kialakul a részecskék egyenletes elosztása a vizes oldatban. vagy: Az oldott anyag részecskéi a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú helyek felé áramlanak, a koncentráció kiegyenlítődéséig Biológiai jelentősége: Biztosítja a szervezet számára a szükséges anyagok eloszlását a sejtek közötti térben és a sejtekben Pl. diffúzióval jut az oxigén a tüdő légteréből a hajszálerekbe

Ozmózis: a víz molekulák féligáteresztő hártyán keresztül történő diffúziója Ozmózisnyomás: -Az a nyomás amit a töményebb oldatra gyakorolva megakadályozható a víz molekulák átáramlása a féligáteresztő hártyán keresztül a hígabb oldatból a töményebb oldatba -Az a szívóerő ami biztosítja a víz molekulák átáramlását a féligáteresztő hártyán keresztül a hígabb oldatból a töményebb oldatba

Ozmózis fajtái -endozmózis: a víz molekulák a féligáteresztő hártya külső oldala felől a belső oldal felé mozognak pl. növényi sejtek (gyökérszőrsejtek) vízfelvétele, érett szőlőszem megrepedése esős időben, a víz felszívódása az állati bélfalon a víz visszaszívódása a szűrletből a vesébe a vörösvérsejtek hemolízise -exozmózis: a víz molekulák a féligáteresztő hártya belső oldala felől a külső oldal felé mozognak pl. a növényi sejtek plazmolízise a vörösvérsejtek zsugorodása

Kísérlet: plazmolízis vizsgálata vörös/ lilahagyma allevelén A plazmolízis során, a vízelvonó anyagok hatására a sejt plazmája (illetve a sejthártya) a vízveszteség mértékének megfelelően fokozatosan elválik a sejtfaltól. Bőrszöveti nyúzatokat készítünk a vöröshagyma, vagy lilahagy- ma húsos alleveléből. Az egyik nyúzatot 4- 5 percre 1 %- os KCl- oldatba helyezzük, majd tárgylemezre tesszük, lefedjük, és mikroszkóppal megvizsgáljuk. A sejten kívüli oldat a sejtnedvnél töményebb, vagyis hipertóniás, a sejt vizet veszít és a sejtplazma zsugorodik. Ezt a merev sejtfal nem követi, a plazma (és a sejthártya) elválik a sejt faltól. Ha a hipertóniás oldat alkáli- fémionokat tartalmaz, a citoplazma gömbölyded formában zsugorodik össze = Konvex plazmolízis

A másik nyúzatot 1 %- os CaCl 2 - os oldatba tesszük és 4- 5 perc múlva megvizsgáljuk. Ha a hipertóniás oldat alkáliföldfém- ionokat tartalmaz, a citoplazma csipkés széllel, szakadozottan válik le a sejtfalról = Konkáv plazmolízis

Szervezet ozmotikusan aktív anyagainak szerepe az életfolyamatokban: A szervezet ozmotikusan aktív anyagai: –A vízben oldott molekulák pl. a glükóz és a fehérjék A plazmafehérjék közül kiemelkedően fontosak az albuminok A plazmafehérjék (főleg az albuminok) szerepe: –anyagkicserélődésben a nagyvérköri kapilláris hálózatnál –nyirokképződésben –visszaszívásban: a víz visszaszívásában a vesében a szűr- letből a vérbe

A felületen való megkötődés biológiai jelentősége Részecskék szilárd felületen történő megkö- tődése az adszorció Enzimműködés: –az aktív centrumukhoz kötődik a szubsztrát, végbemegy a kémiai folyamat, a termék leválik, vissza áll az enzim eredeti szerkezete

Talajkolloidok: Víz molekulákat vagy vízben oldott ionokat adszor- beálnak felületükön. - A talajkolloidok pl. a humusz kolloidok negatív töltésmintázatú részecskék, a felületükön a víz molekulák mellett kationokat is adszorbeálnak

Kapillaritás –A növény a párologtatással fogyasztja a talaj gyökérzónájá- nak nedvességét. Ha az utánpótlás elmarad, (nincs csapadék) a talaj kezd kiszáradni. Ha a talajvíz közel van a gyökérzethez a kisméretű talaj- pórusok szívóhatására, kapillaritására a hiányzó nedvesség pótlódik. A kiszáradt talajnak nagy a felületi kapillaritása, a kapálás csökken. ezt megszűnteti, ezért a talaj vízvesztesége csökken.

Kísérlet: Orvosi szén nagy felületi megkötő-képességének kimutatása festékoldattal Lombikba öntünk kb. 200 cm 3 vizet, majd 5- 6 csepp fukszinoldat- tal megfestjük. Négy szem orvosi szenet összetörünk dörzsmozsárban. A szenet a lombikba tesszük, jól összerázzuk, majd leszűrjük. A szűrlet színtelen, mert az orvosi szén (aktív szén) jó adszorpciós képességgel rendelkezik, és megkötötte a festék- molekulákat. (Hasonló jelenség fordul elő az enzimműködésnél, és a talaj- kolloidoknál.

Kromatográfia: Az anyagkeverékek szétválasztására használt kémiai módszer. Az elválasztás az összetevők különböző adszorpcióján alapul (adszorpció: szilárd test felületén a folyadékban oldott anyagok megkötődése). Az elválasztás oszlopon, vagy rétegen megy végbe. A vizsgált anyag megoszlik az oszlopban vagy rétegben levő állófázis és az oszlopon, rétegen áthaladó mozgófázis között.

Az elválasztást lehetővé teszi: a különböző anyagok az állófázison eltérő erősséggel kötődnek meg (adszorbeálódnak), ezért különböző sebességgel vándorolnak, az oszlop vagy réteg végén egymástól elkülönülve jelennek meg. A kromatográfia mennyiségi elemzésre és anyagok azonosítására alkalmas.

Kromatográf: papírkromatográf

Enzimek= a sejtben lejátszódó biokémiai folyamatok felgyorsítói, katalizátorai (biokatalizátorok) - Katalizátorok : olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat a legkisebb aktiválási energia igényű útra terelik - Aktiválási energia: az az energia mennyiség, amely a molekulán belüli kémiai kötések fellazításához, a molekula reakcióképessé válásához szükséges

Enzimek előfordulása és felépítése: Előfordulásuk: minden élő sejtben Felépítésük: - egyszerű fehérjék - összetett fehérjék (többségük ilyen)

Összetett fehérje enzim (holoenzim) felépítése: - fehérje rész (apoenzim) - nem fehérje rész (kofaktor): - koenzim: lazán kapcsolódik a fehérje részhez pl. NAD +, NADP +, KoA - prosztetikus csoport: szorosan kapcsolódik a fehérje részhez pl. hem- csoport

Az enzim működése A működéssel kapcsolatos fogalmak: - Szubsztrát: az a molekula, amelynek a reakcióját katalizálja az enzim - Aktív centrum: az enzim felületének az a része ahová a szubsztrát kapcsolódik

Az enzimműködés folyamata

Az enzimek jellemzői A fajlagosság: - Folyamat fajlagosság: adott enzim csak adott kémiai folyamatot katalizál - Szubsztrát fajlagosság: adott enzim csak adott szubsztrát(ok) reakcióját katalizálja

Csak meghatározott környezeti feltételek között működő képesek (ugyanis az enzimek fehérjék) pl. meghatározott hőmérsékleten és kémhatású közegben

Az enzimek elnevezése Hagyományos elnevezésű enzimek: pl. pepszin, tripszin Tudományos elnevezésű enzimek: - áz végződésűek - utalás a szubsztrátra (szubsztrátokra), ill. a katalizált reakció végtermékére, ill. a katalizált reakcióra pl. aminosav- tRNS- ligáz = aminosav aktiváló enzim RNS- polimeráz

ATP- bontó enzimek: miozin (feji része) Na + -K + pumpa Az izomműködés és a Na + - K + aktív transzportja energiaigényes, a folyamatokhoz az energiát az ATP hidrolízise biztosítja. Az ATP hidrolízist a miozin, illetve a Na + -K + pumpa katalizálja. ATP- szintetizáló enzimek: a zöldszintest gránum membránjában a mitokondrium belső membránjában A Mitchell- féle kemiozmotikus elmélet alapján, az egyenlőtlen H + eloszlás megszűnése és az ATP szintézis ösz- szefüggő folyamatok

Izomszövet: harántcsíkolt izomszövet

Enzimhibán alapuló emberi betegségek Tejcukor- érzékenység: Oka: nem működik a laktáz enzim Laktáz: a tejcukrot két monoszacharidra bontja, a monoszacharidok felszívódnak a tápcsatorná- ból

A betegség tünetei: - folyékony széklet - hasfájás - has puffadás A tünetek magyarázata: - a vékonybélben felhalmozódó tejcukor vizet köt meg - folyékony széklet - a vastagbélben a bélbaktériumok a tejcukor egy részét bontják, savas bomlástermékek keletkeznek- hasfájás, gázok képződnek - has puffadás

Kísérlet: az enzim működéséhez szükséges optimális kémhatás és hőmérséklet bemutatása A fehérjeemésztő pepszin pH- optimumának meghatározása: 3 kémcső mindegyikébe kevés tejport rakunk, majd 3- 3 ml pepszinoldatot teszünk mindegyikhez. Az első kémcsőbe 3 ml 0,3 %- os sósavat, a másodikba 3 ml 10- %- os sósavat, a harmadikba 3 ml híg nátrium- karbonát oldatot csepegtetünk. A kémcsöveket 37 C fokos vízfürdőbe tesszük 40 percre. A pepszin csak enyhe savas közegben fejti ki bontó hatását. Sem erősen savas (10 %- os sósav), sem a gyengén lúgos ( nátrium- karbonát) közegben nem hat. A gyomornedv pepszint tartalmazó savanyú (0,3 %- os sósavas) közeg.

Kísérlet: a nyálamiláz szénhidrátemésztő hatásának és hőmérsékleti optimumának bemutatása Két kémcsőbe 1-1 ml keményítőoldatot öntünk, majd az egyikbe 2 ml nyálat, a másikba 2 ml vizet teszünk. A kémcsöveket 37 C fokos vízfürdőbe tesszük. 15 perc múlva mindkét mintából egy-egy cseppet óraüvegre cseppentünk, majd egy- egy csepp Lugol-oldatot= KI- os I 2 - olda- tot adunk hozzá. 10 perccel később megismételjük a próbát. Az amilázos kémcsőből vett mintán nem változott meg a Lugol- ol- dat színe, a másikban kékes színű lett. A Lugol-oldat keménytőt mutat abban a mintában, amelyikben amiláz helyett víz volt, a másikban az amiláz elbontotta a kemé- nyítőt.

A kémcsöveket azért helyeztük 37 C fokos vízfürdőbe, mert az emberi szervezetben ezen a hőmérsékleten mennek végbe a biokémiai folyamatok. Az amiláz enzim a nyálmirigyekben és a hasnyálmirigyben terme- lődik, keményítőt bont.